MỤC LỤC MỤC LỤC . i LỜI CAM ĐOAN vi LỜI CẢM ƠN vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x 1. Sự cần thiết của đề tài .1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 3. Phương pháp nghiên cứu 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu .4 6. Cấu trúc của luận án 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 5 1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện 5 1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than 5 1.1.2. Lò hơi NMNĐ theo thơng số hơi chính 7 1.1.3. Cơng nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ 7 1.1.3.1. Cơng nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC) 7 1.1.3.2. Cơng nghệ đốt tầng sơi tuần hồn (CFB) 8 1.2. Đặc trưng của q trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện . 10 1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thơng số q trình 10 1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ 11 1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành . 11 1.2.2.2. Phụ tải biến đổi do sự cố . 12 1.3. Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ . 13 1.3.1. Các hệ thống điều khiển cơ bản 15 1.3.1.1. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin 15 1.3.1.2. Điều khiển cơng suất lò hơi 17 1.3.1.3. Điều khiển cấp khơng khí cho buồng đốt . 17 1.3.1.4. Điều khiển mức nước bao hơi 18 1.3.1.5. Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt 18 i 1.3.2. Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ 20 1.3.2.1. Cấu trúc tầng hai vòng 20 1.3.2.2. Bộ điều khiển PID 21 1.4. Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ 21 1.4.1. Cơ bản về chỉnh định hệ tầng . 21 1.4.2. Phương pháp ứng dụng thực tế 22 1.4.2.1. Chỉnh định theo phương pháp cơ bản 22 1.4.2.2. Chỉnh định thực tế 24 1.4.3. Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống 25 1.4.4. Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam 25 1.4.4.1. Công tác chỉnh định và thử nghiệm . 25 1.4.4.2. Thực tế vận hành 26 1.5. Các phương pháp chỉnh định nâng cao . 27 1.5.1. PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) 28 1.5.2. Gain-scheduling PID 29 1.6. Đánh giá tổng quan 30 1.7. Đặc tính q độ của q trình nhiệt NMNĐ . 31 1.7.1. Đặc tính q độ của đối tượng . 31 1.7.2. Q trình nhiệt có tự cân bằng . 31 1.7.2.1. Đặc tính động học đặc trưng 31 1.7.2.2. Trường hợp đặc biệt 33 1.7.2.3. Đặc tính quá độ của van điều chỉnh . 34 1.7.3. Q trình nhiệt khơng có tự cân bằng 35 1.8. Nhận dạng đối tượng đang làm việc và mơ hình bất định 37 1.8.1. u cầu nhận dạng đối tượng đang làm việc 37 1.8.2. Mơ hình bất định tổng qt 38 1.9. Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm . 39 1.9.1. Giới thiệu 39 1.9.2. Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88] 39 1.9.3. Chỉ số dao động mềm và hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững …………………………………………………………………………………41 1.9.3.1. Chỉ số dao động mềm 41 1.9.3.2. Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88] 41 ii 1.9.3.3. Đặc tính mềm và độ dự trữ ổn định của hệ thống 42 1.9.3.4. Xác định hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88] 42 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 44 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 45 2.1. Giới thiệu 45 2.2. Mơ hình hóa q trình nhiệt NMNĐ vòng hở . 45 2.2.1. Lựa chọn mơ hình 45 2.2.1.1. Q trình có tự cân bằng 46 2.2.1.2. Q trình khơng có tự cân bằng . 47 2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu . 48 2.2.2.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng 48 2.2.2.2. Đối tượng nhiệt khơng có tự cân bằng 50 2.2.3. Lựa chọn mơ hình cho q trình có tự cân bằng 50 2.3. Nhận dạng đối tượng nhiệt NMNĐ trong vòng kín 51 2.3.1. Lựa chọn xung kích thích 51 2.3.1.1. Xung chữ nhật . 52 2.3.1.2. Xung hàm mũ 52 2.3.1.3. Xung tam giác . 53 2.3.2. Xác định đặc tính tần số của đối tượng 53 2.3.2.1. Công thức xác định . 53 2.3.2.2. Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian 55 2.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng ngồi 57 2.3.3.1. Xác định thành phần cơ sở 57 2.3.3.2. Xác định thành phần bất định 59 2.3.4. Nhận dạng đối tượng vòng trong 61 2.3.5. Xác định dải tần số bản chất nhận dạng đối tượng . 61 2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu 63 2.4.1 Giới thiệu . 63 2.4.2. Thuật tốn tối ưu hóa vượt khe nhận dạng q trình nhiệt NMNĐ . 63 2.4.3. Xác định véctơ gradient của hàm khơng trơn . 66 2.4.4. Xác định véc tơ xuất phát cho bài tốn tối ưu 66 2.4.4.1. Bài tốn nhận dạng đối tượng vòng hở 66 2.4.4.2. Bài tốn nhận dạng vòng kín 68 iii 2.5. Ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng . 71 2.5.1. Nhận dạng đối tượng vòng hở 71 2.5.1.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng 71 2.5.1.2. Q trình nhiệt có tính chất tích phân 80 2.5.2. Nhận dạng đối tượng trong vòng kín 83 2.6. Kết quả và thảo luận 90 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 91 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 93 3.1. Giới thiệu 93 3.2. Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển 93 3.3. Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt 95 3.4. Chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động [CT1, 2] 97 3.4.1. Giới thiệu 97 3.4.2. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng trong 99 3.4.3. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng ngồi 99 3.5. Phương pháp chỉnh định đối tượng nhiệt điện đang làm việc 100 3.5.1. Giới thiệu 100 3.5.2. Đặc tính mềm của hệ tầng hai vòng 100 3.5.2.1. Đặc tính mềm của hệ tương đương R1 100 3.5.2.2. Đặc tính mềm của hệ tương đương R2 102 3.5.3. Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống 103 3.5.4. Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất” 104 3.5.5. Phương pháp chỉnh định theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6] 105 3.5.5.1. Phương pháp đề xuất 105 3.5.5.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở . 106 3.5.5.3. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất 111 3.6. Minh họa phương pháp chỉnh định 113 3.6.1. Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở . 114 3.6.2. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất . 115 3.6.3. Chất lượng hệ thống điều khiển 117 3.7. Kết quả và bàn luận 118 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 119 iv CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 120 4.1. Giới thiệu 120 4.2. Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện 120 4.3. Thực nghiệm phương pháp trên mơ hình thí nghiệm 123 4.3.1. Mơ hình thí nghiệm 123 4.3.2. Cấu trúc điều khiển 125 4.3.3. Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm . 126 4.3.4. Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng 127 4.3.5. Phần mềm điều khiển hệ thống 128 4.3.6. Thực nghiệm trên hệ thống 131 4.3.6.1. Xây dựng đặc tính thiết bị 131 4.3.6.2. Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống 133 4.4. Kết quả và thảo luận 141 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143 Các kết quả đạt được của luận án 143 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 143 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 151 v LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân tơi. Cơng trình được thực dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh . Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố bởi tác giả nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh Đỗ Cao Trung vi LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tơi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phòng đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ mơn TĐH&ĐK q trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận án. Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã chia sẽ, cổ vũ động viên để tơi có thể hồn thành luận án. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018 Tác giả vii Đỗ Cao Trung DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A(s) Mẫu thức của thành phần phân thức a 0, a1, … an Giây; phút Hằng số quán tính của mẫu thức a 11, a12, a13 Tham số số hóa bộ điều khiển R1(s) a 21, a22, a23 Tham số số hóa bộ điều khiển R2(s) B(s) Tử thức của thành phần phân thức b 0, b1, … bn Giây; phút CCS DCS DPT kPas FOPDT H(s) IFOPDT IFOPDTZ j J ( x) Hằng số qn tính của tử thức Hệ thống điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin (Coordinated control system) Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system) Bộ chuyền tín hiệu chênh áp (Diffirental pressure transmitter) Quán tính bậc nhất có trễ (First order plus dead time) Hàm truyền hệ hở Tích phân qn tính bậc nhất và có trễ (Integrating first order plus dead time) Tích phân qn tính bậc hai có trễ với một điểm khơng dương (Integrating first order plus dead time with a zero) Đơn vị ảo j2 = -1 Kp, Ti, Td m0 Gradien của J (x) Hằng số tỷ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều khiển PID Chỉ số dao động cứng m(ω), m Chỉ số dao động mềm ms Chỉ số dao động hệ thống mc Δm NMNĐ Chỉ số dao động cắt Độ suy giảm chỉ số dao động (chỉ số bền vững) Nhà máy nhiệt điện OPT(s) Thành phần phân thức của đối tượng s , O s O Mơ hình bất định O1(s), O2(s) Mơ hình cơ sở PID Tỷ lệ-tích phân-vi phân (Proportionalviii Integral-Derivative) R1(s), R2(s) Bộ điều khiển vòng ngồi và vòng trong r, Bán kính, pha bất định SISO Vòng/phút (rpm) Một vào-một ra (Single input-single output) ST Bộ truyền tín hiệu tốc độ (Speed transitter) SOPDT s Qn tính bậc hai có trễ (Second order plus dead time) Tốn tử Laplace T, T1, T2, θ Giây; phút Các hằng số qn tính Ta Giây; phút TOPDTZ TV t Giây; phút Hằng số qn tính biểu trưng Qn tính bậc ba có trễ với một điểm khơng thực âm (Third order plus dead time with a zero) Throttle valve (van điều khiển cấp hơi tuabin) Biến thời gian τ Giây; phút Trễ của đối tượng U(tu, yu) Điểm uốn của đặc tính quá độ u 1, u2 Tín hiệu điều khiển V(s) “nhân” bất định V1 Van điều khiển khơng trục V2, V3, V4 Van tay v1, v2 Nhiễu ω, ωc Rad/s Tần số và Tần số cắt W(s) W1td(s) W2td(s) 1td ( s) W 2td ( s ) W X, x x, y Hàm truyền hệ kín Hàm truyền hệ hở tương đương cơ sở của bộ điều khiển R1(s) Hàm truyền hệ hở tương đương cơ sở của bộ điều khiển R2(s) Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của bộ điều khiển R1(s) Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của bộ điều khiển R2(s) Véc tơ tham số Tích vơ hướng của hai véc tơ y1, y2 Thơng số q trình nhiệt z1 Tín hiệu điều khiển ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] 5 Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ .6 Hình 1.3. Sơ đồ ngun lý lò hơi đốt than phun .8 Hình 1.4. Sơ đồ ngun lý lò hơi tầng sơi tuần hồn 9 Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thơng số q trình lò hơi . 10 Hình 1.6. Đáp ứng của áp suất hơi và cơng suất với lưu lượng nhiên liệu 12 Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76] . 14 Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ . 15 Hình 1.9. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82] . 16 Hình 1.10. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82] 16 Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lò hơi 17 Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp khơng khí cho buồng đốt 17 Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4] . 18 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82] . 19 Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt . 20 Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển q trình nhiệt NMNĐ 20 Hình 1.17 Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84] . 23 Hình 1.18. Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84] 23 Hình 1.19. Phương pháp suy giảm giao động [84] . 24 Hình 1.20. Nguyên lý phương pháp PID tự chỉnh [82] 28 Hình 1.21. Nguyên lý gain-scheduling PID [82] 29 Hình 1.22. Đặc tính động học q trình nhiệt NMNĐ 32 Hình 1.23. Đặc tính động học đặc trưng q trình nhiệt có tự cân bằng . 32 Hình 1.24. Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu . 33 Hình 1.25. Đáp ứng xung bậc thang của cơng suất khi tăng/giảm góc ở van TV 33 Hình 1.26 Đặc tính q độ của đối tượng nhiệt có q điều chỉnh 34 Hình 1.27. Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van . 34 Hình 1.28. Đặc tính thời gian của van điều khiển 35 Hình 1.29. Đặc tính động học của mức nước bao hơi 36 Hình 1.30. Đặc tính đối tượng nhiệt khơng có tự cân bằng 36 Hình 1.31. Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định 38 x Như vậy, hệ thống điều khiển tốc độ tuabin trên hình 4.10&4.11 sẽ có các đối tượng được nhận dạng theo mơ hình bất định tại (4.17), (4.18). Tiến hành tổng hợp lại các bộ điều khiển theo các mơ hình mới này. Tổng hợp điều khiển bền vững cho thành phần sở Chọn độ bền vững ms = 0,461, bộ điều khiển vòng trong tính theo (3.27): R2 (s) 2,148(1 ) 0,51s (4.19) Bộ điều khiển vòng ngồi: + Mơ hình hóa đối tượng tương đương W1td (hình 4.10) theo mơ hình qn tính bậc hai có trễ, thu được: W1td ( s) 5,816 e0,593s (1 1,175s)(1 0,185s) + Chọn hệ số bền vững ms = 0,461, tổng hợp bộ điều khiển theo (3.32): R1 ( s) 0,293(1 0,16s) 1,36s (4.20) Đặc tính mềm hệ hở ứng với BĐK R1(s) thể hiện trên hình 4.27. Đặc tính này bao điểm (-1, j0) nên hiệu chỉnh R1(s) theo hệ số 1/1,075 như giải thuật đã nêu, thu được bộ điều khiển mới có đặc tính mềm hệ hở đi qua điểm (-1, j0). R1 (s ) 0,275(1 0,16s) 1,36s (4.21) Hình 4.27 Đặc tính mềm hệ hở ứng với R1(s) Chỉnh định theo đặc tính mềm “xấu nhất” Vẽ đặc tính mềm xấu nhất cho hệ hở của bộ điều khiển R2(s) trên hình 4.28. 137 hệ hở ứng với R2(s) Hình 4.28 Đặc tính mềm xấu Điều chỉnh bộ điều khiển (4.19) theo hệ số 1/1,908 được bộ điều khiển mới: R2 (s ) 1,163(1 ) 0,51s (4.22) Dựng tiếp đặc tính mềm xấu nhất cho hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1(s) trên hình 4.29. Hình 4.29 Đặc tính mềm xấu hệ hở ứng với R1(s) Chỉnh định bộ điều khiển (4.21) theo hệ số 1/1,613 được bộ điều khiển mới: R1 ( s) 0,169(1 0,16s) 1,36s (4.23) Với các bộ điều khiển tại (4.22), (4.23) vẽ lại các đặc tính mềm xấu nhất cho các hệ hở của các bộ điều khiển trên hình 4.30 và 4.31, các đặc tính này đều khơng bao điểm (-1, j0) nên các bộ điều khiển trên sẽ là các bộ điều khiển được cài đặt cho hệ thống. 138 Hình 4.30 Đặc tính mềm xấu hệ hở ứng với BĐK R2(s) Hình 4.31 Đặc tính mềm xấu nhất hệ hở ứng với BĐK R1(s) Hệ thống với mơ hình đối tượng (4.17), (4.18) và các bộ điều khiển (4.22), (4.23) có đặc tính q độ trên hình 4.32. Hình 4.32 Đặc tính điều chỉnh hệ thống 139 Hệ thống đạt chất lượng điều chỉnh trong trường hợp đối tượng cơ sở như sau: + Thời gian điều chỉnh: Tq ≈ 3 (giây) + Độ quá điều chỉnh: ymax y 4,5% y + Độ suy giảm dao động: D 0% Hệ thống đạt chất lượng điều chỉnh trong trường hợp xấu nhất như sau: + Thời gian điều chỉnh: Tq ≈ 5 (giây) + Độ quá điều chỉnh: ymax y 21% y + Độ suy giảm dao động: D 5,5% Chất lượng điều chỉnh của hệ đối với đối tượng cơ sở tốt hơn nhiều so với trường hợp cài đặt bộ điều khiển tổng hợp được ở chế độ khởi động, trong khi trường hợp biến thiên xấu nhất của đối tượng bất định thì chất lượng điều chỉnh kém hơn. Đây là kết quả hợp lý. Các bộ điều khiển số được xác định từ (4.22) và (4.23) như sau: a11 0,517 ; a12 0,845 ; a13 0,338 (4.24) a21 1,345 ; a22 1,163 ; a23 0,338 (4.25) Thực nghiệm các chế độ tăng giảm tải bằng cách bật tắt các bóng đèn. Kết quả đặc tính điều chỉnh trên hình 4.33 và 4.34. Giảm cơng suất, tắt bớt bóng đèn Hình 4.33 Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin giảm 25% công suất tải 140 Tăng cơng suất, bật thêm bóng đèn Hình 4.34 Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin tăng 25% công suất tải Các đặc tính này cho thấy bộ điều khiển được chỉnh định lại cho kết quả làm việc tốt hơn bộ điều khiển được tổng hợp ban đầu (hình 4.33 so với hình 4.23). Điều này là do việc nhận dạng được thực hiện với số liệu đầy đủ hơn đồng thời bộ điều khiển được chỉnh định theo đặc tính mềm cũng cho chất lượng tốt hơn. 4.4 Kết thảo luận Việc ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng đang làm việc từ số liệu thực tại NMNĐ theo mơ hình bất định cho kết quả hợp lý. Bước đầu cho thấy phương pháp nhận dạng là có thể áp dụng được. Trong điều kiện hiện nay, việc thu thập số liệu thực từ NMNĐ chỉ có thể thực hiện thụ động. Chưa thể thực hiện cài đặt bộ điều khiển vào hệ thống thực. Mơ hình thí nghiệm điều khiển hai vòng tốc độ tuabin được xây dựng là phù hợp với cấu trúc mơ hình hệ điều khiển hai vòng được nghiên cứu của luận án. Cho phép thí nghiệm đầy đủ phương pháp đề xuất Các bước thực hiện thí nghiệm đều được thực hiện theo các phương pháp đã được đề xuất, bao gồm: Thu thập dữ liệu, nhận dạng đối tượng và chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động, nhận dạng đối tượng theo mơ hình bất định trong điều kiện phụ tải bến đổi và chỉnh định bộ điều khiển PID, khi hệ thống đang làm việc. 141 Kết quả các bước thí nghiệm, tính toán đã tổng hợp được các bộ điều khiển PI/PID để cài đặt cho hệ thống. Hệ thống điều khiển tốc độ tuabin làm việc tốt với bộ điều khiển được cài đặt Bộ điều khiển được tổng hợp trong chế độ khởi động cho chất lượng làm việc kém hơn bộ điều khiển được tổng hợp từ mơ hình bất định và đặc tính mềm xấu nhất, là kết quả hợp lý vì dữ liệu thu thập ban đầu ít hơn, thơng tin về mơ hình kém chính xác hơn. Bộ điều khiển này cũng sẽ điều chỉnh hiệu quả hơn ở dải biến đổi rộng của cơng suất tải. KẾT LUẬN CHƯƠNG Phương pháp nhận dạng được đề xuất bước đầu được áp dụng thành cơng cho số liệu thực tế lấy từ NMNĐ cũng như từ mơ hình thí nghiệm. Việc thử nghiệm chỉnh định trên mơ hình thí nghiệm bước đầu thành cơng đã chứng minh hiệu quả của phương pháp được xây dựng. 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết đạt luận án Luận án giải quyết bài toán chỉnh bộ điều khiển PID cho q trình nhiệt NMNĐ khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ rệt, bằng cách sử dụng mơ hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]. Luận án lần đầu tiên xây dựng hồn chỉnh hệ thống phương pháp nhận dạng và chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển q trình nhiệt điện hệ SISO cấu trúc hai tầng từ nền tảng lý thuyết này. Kết quả đạt được của luận án bao gồm: 1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật tốn tối ưu hóa vượt khe để nhận dạng đối tượng điều khiển q trình nhiệt điện trong vòng hở và vòng kín. 2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho q trình nhiệt điện cấu trúc SISO hai tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang làm việc, cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng lựa chọn tối ưu là [0,132÷2,318]. Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao. Bộ điều khiển sẽ có khả năng thích nghi trong điều kiện biến thiên rộng của phụ tải và đặc tính đối tượng, làm việc ổn định lâu dài theo vòng đời vận hành của NMNĐ. Đề xuất hướng nghiên cứu 1) Ứng dụng các phương pháp nhận dạng, chỉnh định bộ điều khiển vào NMNĐ thực tế. 2) Từ hệ thống giải pháp đã đề xuất, xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi cho đối tượng điều khiển q trình nhiệt điện, trong đó hệ thống có thể đưa vào tự động nhanh trong chế độ khởi động, tự động chỉnh định trong q trình làm việc. Đảm bảo tính chất bền vững của hệ điều khiển trong vòng đời làm việc của NMNĐ. 3) Phát triển phương pháp để áp dụng cho các q trình cơng nghiệp khác hệ SISO cấu trúc hai vòng. 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Nguyễn Huy Phương, Vũ Thụy Nguyên Điều khiển q trình, NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội, 2014 [2] Cơng ty cổ phần nhiệt điện Quảng Ninh, Báo cáo vận hành thử nghiệm tổ máy số 1, 2012&2013 [3] Công ty nhiệt điện Mông Dương, Báo cáo vận hành thử nghiệm nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1, 2014&2015 [4] Đỗ Cao Trung, Phương pháp tổng hợp điều khiển PID bền vững tối ưu cho q trình cơng nghệ nhiệt, Luận văn Thạc sỹ khoa học, 2011 [5] Hồng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách Khoa – Hà Nội, 2006. [6] Mạnh N.V., Hoàn V.H. (2006) Nhận dạng đối tượng hệ điều khiển nhiều vòng. KHCN Nhiệt, số 2006/3, trang 19-23. [7] Nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quy trình vận hành lò hơi, tuabin. [8] Nhà máy nhiệt điện Mơng Dương 1, Quy trình vận hành lò hơi, tuabin. [9] Nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh no.1&2, Quy trình vận hành lò hơi, tuabin. [10] Nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng no.1&2, Quy trình vận hành lò hơi, tuabin. [11] Nguyễn Cơng Hân, Nguyễn Quốc Trung, Đỗ Anh Tuấn (2002), Nhà máy nhiệt điện. NXB Khoa học & Kỹ thuật [12] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội, 2009. [13] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội, 2006 [14] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội, 2007 [15] Nguyễn Mạnh Đức, Nghiên cứu chế tạo điều khiển tốc độ tuabin nước loại nhỏ nhằm ổn định tần số dòng điện đầu ra, Luận văn thạc sỹ, 2016 [16] Nguyễn Văn Mạnh, Nguyễn Mạnh Đức (2015), Một phương pháp mơ hình hóa đối tượng điều khiển q trình nhiệt khâu qn tính bậc hai có trễ, Tạp chí năng lượng nhiệt, số 125, trang 15-19, 2015 144 [17] Nguyễn Văn Mạnh, Lý thuyết điều chỉnh tự động trình nhiệt, ĐHBK, 1993. [18] Nguyễn Văn Mạnh (2010), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu chấp hành van điều chỉnh không trục, Đề tài cấp Bộ, mã số B-2008-01-203 [19] Nguyễn Văn Mạnh (2002), Nghiên cứu xây dựng tổ hợp chương trình phần mềm MT thiết kế tối ưu hệ thống điều khiển đối tượng bất định công nghiệp – (2001-2002), Đề tài cấp Bộ, mã số B-2001-28-34. [20] Nguyễn Văn Mạnh (2002), Tổng hợp bền vững hệ điều khiển đối tượng bất định, Thơng báo Khoa học, Hội nghị tồn quốc lần thứ 5 về Tự động hố, Hà nội-2002, Trang 155-161 [21] Tổng công ty lắp máy Việt Nam Lilama, Báo cáo tổng kết kinh nghiệm thực dự án EPC NMNĐ ng Bí mở rộng 1, 2010. [22] Trương Duy Nghĩa (2017), Đề án phát triển nhiệt điện than Việt Nam. Năng lượng nhiệt, số 2017/5, trang 7-13. [23] Vũ Thu Diệp (2016), Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng điều khiển trình nhiệt sở số dao động mềm, Luận án tiến sỹ kỹ thuật nhiệt. Tiếng Anh [24] Astrom, K.J., Hagglund, T (1995), PID Controllers: Theory, Design and Tuning, 2nd edn. 1995, ISA—Instrument Society of America. [25] Cecil L. Smith, Practical Process Control, Tuning and Troubleshooting, John Wiley & Sons, Inc, 2008. [26] C.L. Liu, J.Z Liu, Y.G. Niu and W.Y. Yao (2002), The application of genetic algorithm model identification, in 2002 Proc. of IEEE TENCON’02, pp. 1261–1264. [27] Crowe J., Johnson M.A., Grimble M.J. (2003) Closed loop identification of systems within cascade connected control strategies. European Control Conference (ECC), pp. 399-404. [28] D.E. Rivera, M. Morari, and S. Skogestad (1986), Internal Model Control PID Controller Design, Industrial Engineering and Chemical Process Design and Development, 25, p. 252-265. [29] Dimeo R, Lee KY (1995), Boiler-turbine control system design using a genetic algorithm. IEEE Trans Energy Conver 1995, 10:752–759. [30] Doosan (2012), Control system Mong Duong 1 thermal power plant project. 145 [31] Eklund, K., & Åström, K. J. (1971), A Simplified Nonlinear Model of a Drum Boiler-Turbine Unit. (Report TFRT; Vol. 7012). Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology (LTH). [32] Electricity of Vietnam (EVN) – Chengda Group, EPC contract of 300MW Uong Bi Extension no.2 thermal power plant project, 2006. [33] Electricity of Vietnam (EVN) – Huynhdai E&C, EPC contract of 1000MW Mong Duong no thermal power plant project, 2011. [34] Electricity of Vietnam (EVN) – Lilama, EPC contract of 300MW Uong Bi Extension no.1 thermal power plant project, 2002. [35] Eni Oko, Meihong Wang, Jie Zhang (2015), Neural network approach for predicting drum pressure and level in coal-fired subcritical power plant, Fuel 151 (2015) 139–145. [36] Fei W, Li Y, Shen J, Xiang X, Optimization of superheated steam temperature control system using extremum seeking algorithm. J Southeast Univ 2010, 40:952–956. [37] FISHER CONTROLS INTERNATIONAL, INC (2001), Control valve handbook, Third Edition. [38] F.J. Gutiérrez Ortiz (2011), Modeling of fire-tube boilers, Applied Thermal Engineering 31 (2011) 3463-3478. [39] FRANCIS T. THOMPSON (1967), A Dynamic Model of a Drum-Type Boiler System, IEEE TRANSACTIONS ON POWER APPARATUS AND SYSTEMS VOL. PAS-86, NO. 5 MAY 1967. [40] Garduno-Ramirez R, Lee KY. Power plant fuzzy PID scheduling control over full operating space. In: Proceedings of the International Conference on Intel-ligent System Application to Power Systems (ISAP 2003), CD ISAP03-086.pdf, Lemnos, Greece, August 31–September 3, 2003. [41] Garduno-Ramirez R, Lee KY. Compensation of control-loop interaction for power plant wide-range operation. Control Eng Pract 2005, 13:1475–1487. [42] Gilman GF (2005), Boiler control system engineering, ISA, Research Triangle Park, USA. [43] HPE-NEPDI (2002). Basic design: instrument & control system. Cao Ngan thermal power plant project. [44] HEIBE (2006), Control system Cam Pha thermal power plant project. [45] Huynhdai E&C, Commissioning procedure of Mong Duong no thermal power plant, 2014. 146 [46] IDC Technologies’ Tech Brief, Tuning of PID Controllers in both Open and Closed Loop Control Systems. [47] Jeng J.C., Lee M.W. (2012) Identification and Controller Tuning of Cascade Control Systems Based on Closed-Loop Step Responses. 8th IFAC Symposium on Advanced Control of Chemical Processes, pp. 414-419. [48] Jin S. Heo and Kwang Y. Lee (2006) A Multi-Agent System-Based Intelligent Heuristic Optimal Control System for A Large-Scale Power Plant IEEE Congress on Evolutionary Computation, Vancouver, BC, Canada, July 16-21, 2006. [49] Ji-Zhen Liu, Shu Yan, De-Liang Zeng, Yong Hu, You Lv (2015), A dynamic model used for controller design of a coal fired once-through boiler-turbine unit, Energy 93, 2069-2078. [50] Jian Zhao (1992), Simulation of Boiler Drum Process Dynamics and Control, McGill University Montréal, Canada. [51] J.R. Rodriguez Vasqueza, R.RivasPerezb, J. Sotomayor Morianoa, J.R. Peran Gonzalez (2008), System identification of steam pressure in a firetube boiler, Computers and Chemical Engineering 32 (2008) 2839–2848. [52] Jyh-Cheng Jeng, Ming-Wei Lee “Identification and Controller Tuning of Cascade Control Systems Based on Closed-Loop Step Responses,” in 2012 Proc of the IFAC Symposium on Advanced Control of Chemical Processes, pp. 414-419. [53] K.J. Astrom, R.D. Bell (2000), Drum-boiler dynamics, Automatica 36 (2000) 363-378. [54] Kaidi (2009), Control system Mao Khe thermal power plant project. [55] Lemma D. Tufa, M. Ramasamy, Sachin C. Patwardhan, M. Shuhaimi (2008), Development of Second Order Plus Time Delay (SOPTD) Model from Orthonormal Basis Filter (OBF) Model, Proceedings of the UKACC International Conference on Control, Sept. 2008. [56] Lee KY, Van Sickel JH, Hoffman JA, Jung W-H, Kim S-H, Controller design for a large-scale ultra-supercritical once-through boiler power plant. IEEE Trans Energy Conver 2010, 25:1063–1070. [57] Lilama & Power Mechines, Commissioning procedure of Uong Bi extension no thermal power plant, 2006. [58] Lindsey D (2000), Power-Plant Control and Instrumentation, The Control of Boilers and HRSG Systems. Stevenage, UK: IEE Press. 147 [59] Li S, Liu H, Cai WJ, Soh YC, Xie LH (2005), A new coordinated control strategy for boiler-turbine system of coal-fired power plant. IEEE Trans. Contr. Syst. Technol. 2005, 13: 943–954. [60] Looij, Johannes Michael Peter van der (1988) Dynamic modeling and control of coal fired fluidized bed boilers, ISBN 90-370-0017-7, Delft University of Technology. [61] Manh N.V. Assessing the Stabiliy Margin of Linear Multivariable Control Systems in Accordance with a “Soft” Oscillation Index, Thermal Enginering, 1997. Vol. 44. № 10. pp. 809-815. [62] Maurobeni (2002), Control system Na Duong thermal power plant project. [63] Mayuresh V. Kothare, Bernard Mettler, Manfred Morari, Pascale Bendotti, Clément-Marc Falinower (2000), Level Control in the Steam Generator of a Nuclear Power Plant, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 8, NO. 1, JANUARY 2000. [64] Mehta U., Majhi S. (2011) On-line identification of cascade control systems based on half limit cycle data. ISA Trans., vol. 50, pp. 473–478. [65] Neng-Sheng Pai, Shih-Chi Chang, Chi-Tsung Huang (2010), Tuning PI/PID controllers for integrating processes with deadtime and inverse response by simple calculations, Journal of Process Control 20 (2010) 726–733. [66] Nguyen Van Manh, Bui Minh Tri (1990), Method of “Cleft-Over-Step” by Perpendicular direction for solving the unconstrained non-linear optimization problem, ACTA Mathem. Vietnam, 1990. No 2. P. 73-83. [67] OJSC “Power Machines” (2005), Power island automated regulation Uong Bi extension no.1 thermal power plant project. [68] OJSC “Power Machines” (2005), Power plant operating manual, AC maintenance manual Uong Bi extension no.1 thermal power plant project. [69] O-Shin Kwon, Won-Hee Jung, Hoon Heo (2013), Steam temperature controller with LS-SVR based predictor and PID gain scheduler in thermal power plant, Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 27, no. 2, pp. 557-565, Feb. 2013. [70] Q.B. Jin, Q. Liu (2014), Analytical IMC-PID design in terms of performance/robustness tradeoff for integrating processes: From 2-Dof to 1-Dof, Journal of Process Control 24 (2014) 22–32 [71] Quang Ninh JSC. – Shanghai Electric Company (SEC), EPC contract of Quang Ninh 1200MW thermal power plant project, 2006 148 [72] R. D. Bell, K. J. Astrom, Dynamic Models for Boiler-Turbine Alternator Units: Data Logs and Parameter Estimation for a 160 MW Unit, Lund Institute of Technology, Sweden, Tech. Rep. TFRT-3192, 1987 [73] R. Garduno-Ramirez, K. Y. Lee Fuzzy Gain-Scheduling PID+Decoupling Control for Power Plant Wide-Range Operation, The 14th International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems, ISAP 2007 [74] SEC (2007), Control system Quang Ninh thermal power plant project [75] Shanghai Electric Company (SEC), Commissioning procedure of Quang Ninh thermal power plant no.1&2, 2007&2012 [76] Shu Zhang, Cyrus W. Taft, Joseph Bentsman, Aaron Hussey, Bryan Petrus (2012) Simultaneous gains tuning in boiler/turbine PID-based controller clusters sing iterative feedback tuning methodology ISA Transactions 51, pp. 609–621 [77] Sigurd Skogestad, Chriss Grimholt. The SIMC Method for Smooth PID Controller Tuning. Chapter 5 in: R. Vilanova, A. Visioli (eds.), PID Control in the Third Millennium, Advances in Industrial Control, DOI 10.1007/9781-4471-2425-2_5, © Springer-Verlag London Limited, 2012 [78] S. Skogestad (2003), Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning, Journal of Process Control 13 (2003) 291–309. [79] Sun L, Li D, Lee KY, Xue Y (2016), Control-oriented modeling and analysis of direct energy balance in coal-fired boiler-turbine unit. Control Engineering Practice, vol. 55, pp. 38–55 [80] Tim Leopold (2009), You can tune a boiler but you can’t tune a fish ISBN: 1-4392-2947-3 [81] Utkal Mehta, Somanath Majhi, On-line identification of cascade control systems based on half limit cycle data, ISA Trans. vol. 50, no. 3, pp. 473– 478, July 2011. [82] Xiao Wu, Jiong Shen, Yiguo Li, Kwang Y. Lee (2015), Steam power plant configuration, design, and control, WIREs Energy Environ 2015, doi: 10.1002/wene.161. [83] Yijian Liu, Xiongxiong He (2005), Modeling Identification of Power Plant Thermal Process Based on PSO Algorithm, American Control Conference June, 2005. [84] Yokogawa Australia Limitted, Tuning document, 2000. 149 [85] Zigler, J.G.; N.B. Nichols (1942), Optimum settings for automatic controllers. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 64, 759-768. Tiếng Nga [86] Е. П. Серов, Б. П. Kopoo. popaopo. ôHEPằMOCKBA1972. [87] .. частотных характеристик //Теплоэнергетика, 1996. № 10. С. 69-75 Phiên bản tiếng Anh: N. V. Manh (1996), Calculation of Robust Automatic Control Systems by Means of Expanded Complex Frequency-Response Characteristics, Thermal Engineering, p. 863. http://www.maik.ru/contents/thermeng/thermeng10_96v43cont.htm [88] Нгуен Ван Мань, Поисковые методы оптимизации систем управления недетерминированными объектами, Докт. техн. наук. – М.: МЭИ, 1999. Tên tiếng Anh: Nguyen Van Manh, Methods Optimization of Control System for Uncertaint Processes, Doct. tech. sciences. - Moscow: MEI, 1999. Tên tiếng Việt: Nguyễn Văn Mạnh, Phương pháp tối ưu hóa hệ thống điều khiển đối tượng bất định, Luận án TSKH. Tr. Năng lượng Matxcơva, 1999. Website [89] https://automationforum.in/t/what-is-cascade-control-loop-advantages-ofthe-cascade-control-loop/2423 [90] https://controlstation.com/cascade-control-cascade-control-configured/ [91] https://controlstation.com/pros-cons-cascade-control/ [92] https://en.wikiversity.org/wiki/Power_Generation/Steam_Power 150 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [CT1] Đỗ Cao Trung, Nguyễn Văn Mạnh (2015), Phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển q trình nhiệt tích phân trội chế độ khởi động, Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 125-9/2015, trang 38-42. [CT2] Do Cao Trung (2016), A Method Tuning Control System of Thermal Process in Startup Period, The 4th International Conference on Intelligent and Automation Systems (ICIAS 2016), MATEC Web of Conferences 54, 04001 (4/2016). (ISI(CPCI-S)&Scopus). //DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/20165404001 [CT3] Đỗ Cao Trung, Nguyễn Văn Mạnh (2017), Về mơ hình đại diện đối tượng điều khiển trình nhiệt, Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 135-5/2017, trang 14-18. [CT4] Do Cao Trung (2017), A Method for Process Identification and Model Reduction to Design PID Controller for Thermal Power Plant, 11th Asian Control Conference (ASCC), December 17-20, 2017, pp. 2714-2719. (ISI(CPCI-S)&Scopus). //http://ieeexplore.ieee.org/document/8287606/?anchor=authors [CT5] Do Cao Trung, Nguyen Van Manh (2017), A Tuning Method for Uncertain Processes of Thermal Power Plant Based on the Worst Soft Characteristic, 11th Asian Control Conference (ASCC), December 17-20, 2017, pp. 594599. (ISI(CPCI-S)&Scopus) //http://ieeexplore.ieee.org/document/8287237/?anchor=authors [CT6] Đỗ Cao Trung, Nguyễn Văn Mạnh (2018), Nhận dạng trực tuyến trình nhiệt điện hệ SISO cấu trúc tầng, Chun san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa, Quyển 21, số 1, tháng 04/2018 151 ... pháp chỉnh định hệ thống điều khiển trình nhiệt điện điều kiện phụ tải biến đổi. Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm nâng cao độ bền vững của hệ thống điều khiển q ... vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: 2 Xây dựng hệ thống phương pháp chỉnh định bộ điều khiển q trình nhiệt với tính chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm ... 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82] . 19 Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt . 20 Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ