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 chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LƯU VĂN SỞ 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 CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa THÁI NGUYÊN – 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN SỞ 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 CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 605201216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lưu Văn Sở Sinh ngày: 10 tháng 01 năm 1978 Học viên lớp cao học Kỹ thuật điều khiển tự động hóa - khố 15 - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Hà Giang - Thành Phố Hà Giang - Tỉnh Hà Giang Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Lưu Văn Sở ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong q trình thực đề tài nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện, mơn Điều khiển tự động hóa trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Trần Xuân Minh, người ân cần hướng dẫn, bảo suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Xuân Minh, thầy, cô giáo khoa Điện, môn Điều khiển tự động – Trường Đại học giúp đỡ, tạo điều kiện suốt trình học tập trường Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên luận văn chắn không tránh khỏi tài thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Lưu Văn Sở MỤC LỤC Trang i Lời cam đoan ii ơn iii Lời cảm Mục lục vi Danh mục ký hiệu chữ viết tắt viii Danh mục bảng biểu mục hình vẽ đồ thị ix Danh MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Khái quát hệ thống lượng gió đối tượng nghiên cứu 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò 1.2.2 Cấu tạo lò 1.2.3 Các loại lò 1.2.4 Hệ thống điều khiển lò 11 1.2.4.1 Lò đối tượng điều khiển 11 1.2.4.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò 12 1.3 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy nhiệt điện 1.3.1 Đặt vấn đề 14 14 1.3.2 Hệ điều khiển bao 15 1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 17 1.4 Kết luận chương 18 Chương MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 19 2.1 Đặt tốn 19 21 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện 2.2.1 Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 21 2.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao 22 2.2.3 Hàm truyền thành phần hệ thống 22 2.2.3.1 Thiết bị đo 22 2.2.3.2 Thiết bị chấp hành 26 31 2.2.3.3 Bình bao 2.3 Hàm truyền hệ thống 37 2.4 Kết luận: Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI 37 39 3.1 Tổng quan điều khiển PID 39 3.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 40 3.1.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 40 3.1.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 41 3.1.1.3 Phương pháp số thời gian tổng Kuhn 3.1.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 42 42 3.1.2.1 Nguyên tắc thiết kế 43 3.1.2.2 Phương pháp tối ưu modul 43 3.1.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 44 3.2 Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao 3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink 3.3.1 Sơ đồ mô matlab – Simulink 3.3.2 Các kết mô 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thực nghiệm 45 47 47 47 48 3.4.1 Mơ hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 48 3.4.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 50 3.4.3 Các kết thực nghiệm 55 3.4.4 So sánh với kết mô 56 3.5 Kết luận chương Chương ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 56 57 57 4.1.1 Mờ hóa 57 4.1.2 Giải mờ 58 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 59 4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành có nhiều điều kiện 60 4.1.3.2 Thuật tốn xây dựng luật hợp thành nhiều mệnh đề hợp thành 61 4.1.4 Bộ điều khiển mờ 62 4.1.4.1 Bộ điều khiển mờ động 62 4.1.4.2 Bộ điều khiển thích nghi 63 4.1.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 64 4.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 64 4.2.1 Phương pháp thiết kế 4.2.2 Nhận xét 64 69 4.3 Khảo sát mô Matlab/Simulink 4.3.1 Sơ đồ mô 69 69 4.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 4.3.3 Nhận xét 71 4.4 Kết luận chương 71 Kết luận kiến nghị 73 Tài liệu tham khảo 74 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ CO Tín hiệu điều khiển MV Biến điều khiển CV Biến điều khiển PM Tín hiệu đo WH Hàm truyền đạt K Hệ số khuếch đại đầu kI,  SISO Tín hiệu có đầu vào đầu MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào nhiều đầu 10 SIMO Tín hiệu có đầu vào nhiều đầu 11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào đầu Các hệ số khuếch đại đầu vào vii Các chữ viết tắt STT Ký hiệu đầy đủ vii Diễn giải nội dung 12 QTCN bình bao Mức nước cấp 13 FC đóng an tồn fail-closed - van 14 AO đóng an tồn air-to-open - van 15 FO mở an toàn fail-open - van Bộ điều khiển thích nghi air-to-close - vanmờ hình mẫu 19 16 AC FMRAFC theo mơ truyền thẳng mở an tồn 20 Measurementdevice Thiết bị đo Bộ điều khiển tỷ lệ 17 PID Cảm biến 21 vi tích Sensor phân 22 18 mờ 23 Phần tử cảm biến, đầu đo Sensor element Điều khiển logic FLC Signal conditioning Điều hồ tín hiệu 24 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn 25 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng 4.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 4.2.1 Phương pháp thiết kế Bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa phương pháp biết phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch… Bộ điều khiển sở cho việc tổng hợp hệ chỉnh định mờ sau Khác với phương pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp hệ lai, thông số điều khiển mờ chỉnh định hiệu chỉnh trơn Một điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình tốn học sau [6]: u t   K P et   1 TI Hoặc de t  dt  D t PID đó: TI  (4.14)  T (4.15) s   K G   et dt  P K s K  I s D KP K TD  D KI KP Bộ điều khiển mờ de e, dt Thiết bị chỉnh định … x - Bộ điều khiển PID Đối tượng Hình 4.10: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID y Bộ điều khiển KP mờ e e KD Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển  mờ Hình 4.11: Bên điều chỉnh mờ Các tham số KP, TD, TI hay KP, KI, KD điều khiển PID chỉnh định sở phân tích tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống, xác sai lệch e(t) đạo hàm de sai lệch Có nhiều phương pháp chỉnh dt định tham số cho điều khiển PID chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, song phương án đơn giản dễ áp dụng phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka (hình 4.11) Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức [6]:  max KP KP ,KP  K D  max  Kmin D ,KD  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hóa tham số sau: min K K KD  DK K P  K Pmax P K K D  K max  K D D P P để có  KP, KD  Như chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), KP, KD  Trong đó: T K   I  KI  P TD KD det  đầu dt   C1 A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 e, emax -emax e Hình 4.12: Tập mờ e e’ C2 C3 C4  Hình 4.13: Tập mờ   B1 B2 KP; KD Hình 4.14: Tập mờ Kp KD Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, det  sau tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào dt e(t), đầu KP, KD  Với tập mờ đầu vào (hình 4.12), tập mờ đầu cho biến KP, KD (hình 4.14) tập mờ đầu  (hình 4.13) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc Max-prod giải mờ phương pháp độ cao Các luật chỉnh định [6]: * Luật chỉnh định Kp: e A1 A2 e Bảng 4.1 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A3 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A0 B1 B1 B1 B2 B1 B1 B1 A4 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A5 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A6 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 * Luật chỉnh định KD: Bảng 4.2 e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 A2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B1 A3 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A0 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A4 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A5 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 A6 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 * Luật chỉnh định : Bảng 4.3 e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 A2 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A3 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A0 C4 C3 C2 C2 C2 C3 C4 A4 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A5 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A6 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 Sau xác định luật chỉnh định Kp, KI, KD ta sử dụng cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID hình vẽ: L đt (-) B ch nh đnh m B điu khin PID Đi tng Cm bin Hình 4.15: Cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID L thc 4.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lượng điều khiển PID kinh điển 4.3 Khảo sát mô Matlab/Simulink 4.3.1 Sơ đồ mô Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID điều khiển PID Hình 4.16: Sơ đồ mơ mức nước bao với điều khiển PID điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: 70 Hình 4.17: Sơ đồ mơ mức nước bao với cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 4.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID + Trường hợp mô với mức nước đặt 70%: Dap ung muc nuoc bao hoi 80 70 Ldat 60 LPID LMochinh dinh L(%) 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 t(s) Hình 4.18: Đáp ứng mức nước bao đặt 70% 180 71 72 Dap ung muc nuoc bao hoi 100 90 Ldat 80 LPID LMochinh dinh 70 L(% ) 60 50 40 30 20 10 0 50 100 150 200 t(s) 250 300 350 400 Hình 4.19: Đáp ứng áp suât bao mức nước đặt thay đổi từ 70% lên 90% 4.3.3 Nhận xét Từ kết mô hình 4.18 hình 4.19 khẳng định điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện số tiêu chất lượng so với điều khiển PID độ điều chỉnh thời gian xác lập Điều cho thấy với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho hệ điều khiển mức nước bao nhà máy nhiệt điện 4.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Đưa phương pháp thiết kế điều khiển chỉnh định tham số điều khiển PID để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bao điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển trình cho đối tượng cụ thể điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện Nhiệm vụ cụ thể Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Kết luận văn đạt là: - Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển phương diện mô thực nghiệm - Đề xuất thiết kế điều khiển là: Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng Với kết mô cho thấy chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID (kể tham số đối tượng bị thay đổi giới hạn cho phép) Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Công Hân, Nguyễn Quốc Trung, Đỗ Anh Tuấn; “Nhà máy nhiệt điện’’ Trường Đại học bách khoa Hà Nội [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] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2010 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2001 [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [6] 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 [7] Nguyễn Dỗn Phước: “Lý thuyết điều khiển tuyến tính” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [8] Nguyễn Doãn Phước: “Phân tích điều khiển hệ phi tuyến” NXB Bách Khoa, 2012 [9] Phước, N D; Minh.X.P, Lý thuyết điều khiển mờ; NXB Khoa học & Kỹ thuật; 2006 [10] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [11] Nguyễn Mạnh Tùng, Nguyễn Như Hiển,: “Điều khiển logic PLC” NXB KH&KT, 20071 [12] B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996 ... VĂN SỞ 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 CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên... phần hệ thống điều khiển mức nước bao Xuất phát từ thực tiễn nên em chọn đề tài: Thiết kế điều chỉnh PID để điều khiển ổn định mức nước hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng điều. .. điện Chương Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao Chương Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận kiến