Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀO HỒNG CẨM MƠ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014 ii LỜI NÓI ĐẦU Tự động hố đóng vai trò quan trọng hầu hết ngành sản xuất kinh tế đại Đặc biệt công nghiệp sản xuất điện Hệ thống điều chỉnh tự động đóng vai trò then chốt việc nâng cao hiệu kinh tế đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động người Với phát triển công nghệ tự động hóa điều khiển q trình, đặc biệt với việc điều khiển điều khiển mờ lai thiết bị điều khiển tự động gồm điều khiển kinh điển điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực Với đối tượng điều khiển bình bao nhà máy nhiệt điện có nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hay áp suất bình Tuy nhiên phần ổn định nhiệt độ cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng điều khiển, điển hình áp dụng điều khiển mờ lai Với kiến thức tìm tòi nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển mờ lai” Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, cô giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo để tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình công tác sau Học viên Đào Hồng Cẩm Mơ LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đào Hồng Cẩm Mơ Sinh ngày: 14 tháng năm 1988 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá 01 Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác Công ty TNHH Yamaha Motor Vietnam 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 hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Đào Hồng Cẩm Mơ MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁCBẢNG viii DANH MỤC CHỮ VIẾTTẮT viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu luận văn Kết thực nghiệm luận văn Nội dung luận văn CHƯƠNG NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÕ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 TỔNG QUAN VỀ 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 1.1.3 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 12 1.2.1 Đặt vấn đề 12 1.2.2 Bộ nhiệt thiết bị liên quan hệ thống 13 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG 24 MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG 24 LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 24 2.1 KHÁI QUÁT CHUNG 24 2.2 MƠ TẢ TĨAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 26 2.2.1 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển trình 26 2.2.2 Hàm truyền hệ thống 32 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 33 CHƯƠNG 34 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 34 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 34 3.1.1 Bộ điều khiển PID 34 3.1.2 Chọn luật điều khiển PID 36 3.1.3 Phương pháp tối ưu độ lớn 38 3.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK 41 3.2.1 Cấu trúc mô 41 3.3.2 Các kết mô 41 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THỆ THỐNG BẰNG THỰC NGHIỆM 42 3.3.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 42 3.3.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 45 3.3.3 Các kết thực nghiệm 48 3.3.4 So sánh với kết mô 48 CHƯƠNG 49 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ HƠI 49 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 49 4.1 CẤU TRÖC MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 49 4.1.1 Mờ hoá 49 4.1.2 Giải mờ 50 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 51 4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành có nhiều điều kiện 52 4.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 53 4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 53 4.2.2 Bộ điều khiển mờ động 54 4.2.3 Điều khiển mờ lai 55 4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 58 4.3.1 Đặt vấn đề 58 4.3.2 Mờ hoá 58 4.3.3 Sơ đồ mô 59 4.3.4 Kết mô 59 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 60 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 61 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TÊN CÁC HÌNH VẼ……………………… ………… … …………….….TRANG Hình 1.1: Sơ đồ vòng tuần hồn kín nước nhà máy nhiệt điện Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo lò có bao Hình 1.3: Sơ đồ bố trí nhiệt 14 Hình 1.5: Bố trí giảm ơn đầu vào 15 Hình 1.4: Bố trí giảm ơn cuối 15 Hình 1.6 : Giảm ơn bề mặt 15 Hình 1.7 : Ảnh hưởng phụ tải đến nhiệt độ nhiệt 17 Hình 1.8: Đặc tính động nhiệt 18 Hình 1.9 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cấu điều chỉnh góc phun nhiên liệu nhiệt 20 Hình 1.10 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cấu điều chỉnh lưu lượng ống phun nhiên liệu 20 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc hệ hai vòng điều khiển nhiệt độ nhiệt 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình 26 26 Hình 2.3: Cấu trúc thiết bị chấp hành 29 29 31 Hình 2.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nhiệt độ nhiệt 33 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 34 Hình 3.2: Dải tần số mà có biên độ hàm đặt tính 1, rộng tốt 39 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt cho lò nhà máy nhiệt điện 40 Hình 3.4: Cấu trúc mơ hệ thống điều khiển nhiệt lò 41 Hình 3.5a: Kết mơ hệ thống điều khiển nhiệt lò khơng có nhiễu 41 Hình 3.5b: Kết mơ hệ thống điều khiển nhiệt cho lò có nhiễu 42 Hình 3.6: Cấu trúc thực nghiệm ổn định nhiệt độ bình bao 42 Hình 3.7: Bình mức thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 43 Hình 3.8: Van điều khiển để ổn định nhiệt độ 43 Hình 3.9: Giao diện thí nghiệm ổn định nhiệt độ 44 Hình 3.10: Giao diện kết thí nghiệm điều khiển nhiệt độ lò 44 vii Hình 3.11: Kết thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò 48 Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mờ 49 Hình 4.2: Phương pháp giải mờ cực đại 50 Hình 4.3: Giải mờ theo điểm trọng tâm 51 Hình 4.4: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 56 Hình 4.5: Hệ mờ với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 56 Hình 4.6: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 57 Hình 4.7: Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ 57 Hình 4.7: Sự phân bố hàm liên thuộc đầu vào 58 Hình 4.8: Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai 59 Hình 4.9: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 59 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1: Các phận lò Bảng 2: Các thiết bị phòng thí nghiệm 48 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA D Sản lượng x Tín hiệu chủ đạo E Sai lệch y Tín hiệu SP Giá trị đặt ĐK Điều khiển ĐL Đo lường PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân F-PID Bộ điều khiển mờ lai PLC/DCS Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán CPU Khối xử lý trung tâm PS Khối nguồn Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đối với nhà máy nhiệt điện hệ thống điều chỉnh tự động đóng vai trò then chốt trình sản điện Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất nhà máy cách lựa chọn thông số điều chỉnh cho phù hợp, chế độ làm việc tối ưu thiết bị theo thông số quy định Trong nhà máy nhiệt điện q trình nhiệt đóng vai trò chủ yếu Các trình nhiệt nhà máy nhiệt điện đa dạng thay đổi ảnh hưởng nhiên liệu, chất lượng nước, chế độ khơng khí, đặc biệt chế độ làm việc không ổn định thiết bị chịu nhiệt vận hành lâu dài Do thơng số công nghệ thay đổi dải rộng, làm suy giảm hiệu suất thiết bị nhà máy so với thiết kế ban đầu Gây cố dẫn đến hỏng hóc phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt khơng thể thực chế độ bình thường Do vấn đề điều chỉnh thơng số q trình nhiệt nhà máy quan trọng Với phát triển cơng nghệ tự động hóa điều khiển q trình, với tảng thuật tóan điều khiển PID kinh điển, sau thuật tóan PID tự chỉnh, PID logic mờ, thuật toán điều khiển tối ưu… Xong việc nghiên cứu tìm hiểu thuật tốn điều khiển đề tài nhiều người, nhiều ngành nghiên cứu mang tính thời cao Điều cho phép tìm hiểu cặn kẽ chân thực chất thuật tóan ứng dụng điều khiển Tìm ưu nhược điểm để từ hạn chế mặt yếu phát huy mặt mạnh nhằm nâng cao tiêu chất lượng theo yêu cầu Xuất phát từ yêu cầu thực tế thân nâng cao hiểu biết điều khiển ổn định nhiệt độ phục vụ cho điều khiển nhiệt độ phân sơn nhựa công ty Yamaha Đồng thời nhằm đóng góp thiết thực cho cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước nói chung trong lĩnh vực điện tự động hóa nói riêng Đặc biệt với việc điều khiển điều khiển mờ lai thiết bị điều khiển tự động gồm điều khiển kinh điển điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực Với đối tượng điều khiển bình bao nhà máy nhiệt điện có nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hay áp suất bình Tuy nhiên phần ổn định nhiệt độ cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng điều khiển, điển hình áp dụng điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ Từ yêu cầu thực tiễn đòi hỏi nâng cao chất lượng q trình điều khiển cộng với tìm tòi nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển xin tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển mờ lai” Mục tiêu luận văn Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát mô thực nghiệm hạn chế phương pháp điều khiển Để khắc phục nhược điểm điều khiển kinh điển, dựa sở logic mờ, luận văn đề xuất thiết kế điều khiển thông minh sử dụng điều khiển mờ lai Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm điều khiển phần mềm mô Matlab Simulink Kết thực nghiệm luận văn Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ lò lý thuyết kiểm nghiệm mô miền thời gian ảo công việc trước luận văn cao học Ngày nay, yêu cầu học đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần kiểm chứng thực nghiệm miền thời gian thực Đây yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo nhà trường Việc áp dụng sáng tạo mơ hình thí nghiệm sẵn có nhà trường vào cơng việc thực nghiệm luận văn đạt kết tốt Kết thí nghiệm chứng tỏ nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ lò đề tài lý thuyết mơ có khoảng cách so với thực tế nhờ có thí nghiệm nên có sở vững để điều chỉnh lại thông số điều khiển đáp ứng yêu cầu hệ thống làm tảng cho thiết kế nâng cao chất lượng cho hệ thống Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò nhà máy nhiệt điện Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng nhiệt độ lò nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhà máy nhiệt điện Chương 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ y' S B’ yμ B' (y)dy S B’1 B’2 0.66 μ B' (y)dy (4.11) 0.2 với S miền xác định tập mờ Xác định y’ theo biểu thức cho ta giá trị y S y’ xác có tham gia tồn y Hình 4.3: Giải mờ theo tập mờ đầu ra, nhiên việc tính tốn phức tạp điểm trọng tâm thời gian tính tốn lâu Mặt khác chưa tính đến độ thoả mãn luật điều khiển định, xảy trường hợp y’ rơi vào điểm có phụ thuộc nhỏ chí phụ thuộc Một biến dạng phương pháp điểm trọng tâm phương pháp độ cao Theo phương pháp giá trị tập mờ B’(y) xấp xỉ cặp giá trị (yk, Hk) nhất, Hk điểm mẫu miền giá trị y B’k, lúc trị số y’ giải mờ tính theo biểu thức: q y' k yk H k q k (4.3) yk Phương pháp áp dụng cho luật hợp thành (MAX-MIN, SUM-MIN, MAX-PROD, SUM-PROD) 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành Sau có hàm liên thuộc đầu vào A(x) nhờ phép mờ hoá, để xây dựng luật hợp thành ta phải phát biểu mệnh đề hợp thành IF THEN , hay A(x) tập mờ A giá trị đầu vào x ta xác định hệ số thoả mãn mệnh đề kết luận giá trị đầu Biểu diễn hệ số thoả mãn tập mờ B mệnh đề hợp thành ánh xạ: A(x) B(x) gọi hàm liên thuộc luật hợp thành Dựa nguyên tắc Mamdami: “Độ phụ thuộc kết luận không lớn độ phụ thuộc điều kiện” người ta đưa hai quy tắc hợp thành xác định hàm liên thuộc mệnh đề hợp thành A B Qui tắc MAX-MIN: Qui tắc MAX-PROD: A B(x,y) = MIN{ A B(x,y) = A(x), A(x) B B (y)} (y) Luật hợp thành tên gọi mơ hình R biểu diễn hay nhiều hàm liên thuộc A B(x,y) cho hay nhiều mệnh đề hợp thành A B Theo tên quy tắc dùng để biểu diễn hàm liên thuộc mà người ta gọi tên luật hợp thành: luật hợp thành MAXMIN, MAX- PROD, SUM-MIN, SUM-PROD 4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành có nhiều điều kiện Rời rạc hố miền xác định hàm liên thuộc A1(x1) An(xn) B(y) Xác định độ thoả mãn H cho vectơ giá trị rõ đầu ra, ci véc tơ tổ hợp d điểm mẫu thuộc miền xác định hàm liên thuộc Ai(xi) i =1 d H = MIN { A1(c1); A2(c2); , Ad(cd)} Lập luật hợp thành R gồm hàm liên thuộc giá trị mờ đầu cho véc tơ giá trị đầu vào theo nguyên tắc: B’ (y) = MIN{H, B(y)} theo nguyên tắc MAX-MIN B’(y) = H B(y) theo nguyên tắc MAX-PROD Lúc luật hợp thành R lưới khơng gian (d+1) chiều 4.1.3.2 Thuật tốn xây dựng luật hợp thành nhiều mệnh đề hợp thành Thực tế điều khiển mờ phải làm việc với nhiều mệnh đề hợp thành có tập điều khiển Rk Tức lúc mệnh đề có dạng: R1: x = A1 y = B1 R2: x = A2 y = B2 Rp: x = Ap y = Bp Ai có sở X Bi có sở Y Hàm liên thuộc Ak Bk k = 1,2, ,p; thuật tốn triển khai: R = R1 Bước 1: Rời rạc hoá X x1, x2, xn R2 Ak(x) Rp là: Bk(y), Y y1, y2, ,yn Bước 2: Xác định vectơ Ak(x) Bk(y) k = 1, 2, , p theo: μ TAk μ T μ Ak μ Bk Bk x y ; μ Ak x ; μ Ak x n (4.4) ; μ Bk y2 ; μ Bk ym Bước 3: Xác định mơ hình cho luật điều khiển: Theo qui tắc MAX-MIN: Min μ Ak; μ Rk Bk T (rijk ),i 1,2, n; j 1,2, , m (4.5) k (4.6) Theo qui tắc MAX-PROD: Rk μ Ak μ T Bk (r ij ) Bước 4: Thiết lập luật hợp thành: Theo qui tắc MAX-MIN: R MAX rijk , k ,2, p (4.7) Theo Sum-Min Sum-Prod: p R Min 1, Rk (4.8) k Qui tắc có tính chất thống kê hơn, tránh trường hợp đa số mệnh đề hợp thành có giá trị đầu khơng phải lớn nên khơng tính đến qui tắc quan tâm đến giá trị max 4.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh Là điều khiển mờ có quan hệ vào-ra y(x) liên hệ theo phương trình đại số (phi tuyến) Các điều khiển mờ tĩnh điển hình khuyếch đại P, điều khiển Relay hai vị trí, ba vị trí,… Một dạng hay dùng điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ tuyến tính đoạn, cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển phạm vi khác q trình, nâng cao chất lượng điều khiển Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế, song có nhược điểm chất lượng điều khiển khơng cao chưa đề cập đến trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) q trình, sử dụng trường hợp đơn giản 4.2.2 Bộ điều khiển mờ động Là điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ với hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian có đạo hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với biến động đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ động hay dùng điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân tỉ lệ vi tích phân (PI, PD, PID) Một điều khiển mờ theo luật I thiết kế từ mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) cách mắc nối tiếp khâu tích phân kinh điển vào trước sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác Khi mắc nối tiếp đầu vào điều khiển mờ theo luật tỉ lệ khâu vi phân điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Thành phần điều khiển giống điều khiển theo luật PD thông thường bao gồm sai lệch tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống e đạo hàm sai lệch e’ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng xác với biến đổi lớn sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ điều khiển mờ theo luật P thành điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản Trong kĩ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển PID biết đến giải pháp đa có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa điều khiển theo luật PID kinh điển trước sử dụng cho điều khiển mờ theo luật PID thiết kế theo hai thuật toán: - Thuật toán chỉnh định PID - Thuật toán PID tốc độ Bộ điều khiển mờ thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có ba đầu vào gồm sai lệch e tín hiệu chủ đạo tín hiệu ra, đạo hàm tích phân sai lệch Đầu điều khiển mờ tín hiệu điều khiển u(t) u(t) K e TI t edt d TD dt 55 Với thuật toán PID tốc độ, điều khiển PID có đầu vào: sai lệch e tín hiệu đầu vào tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc e’, đạo hàm bậc hai e’’ sai lệch Đầu hệ mờ đạo hàm du/dt tín hiệu điều khiển u(t) d u dt d K e dt e TI d (dt) Do thực tế thường có hai thành phần bỏ qua nên thay thiết kế điều khiển PID hoàn chỉnh người ta thường tổng hợp điều khiển PI PD Bộ điều khiển PID mờ thiết kế sở điều khiển PD mờ, cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc PID mờ gọi điều chỉnh mờ ba thành phần nghiên cứu Các dạng cấu trúc thường thiết kế sở tách điều khiển PID thành hai điều chỉnh PD PI Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PI PD gồm hai biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào 4.2.3 Điều khiển mờ lai Bộ điều khiển mà trình làm việc tự điều chỉnh thơng số cho phù hợp với thay đổi đối tượng gọi điều khiển thích nghi Một hệ thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay khơng tham gia hệ mờ, hệ thống phát triển cao có tiềm đặc biệt, song gắn liền với ưu điểm khối lượng tính tốn thiết kế lớn Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy: thay điều khiển mờ vào chỗ điều khiển kinh điển có hệ thống tốt Trong nhiều trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai điều khiển mờ điều khiển kinh điển Hệ mờ lai (viết tắt F-PID) hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần: - Thành phần điều khiển kinh điển - Thành phần điều khiển mờ 56 Các dạng hệ mờ lai phổ biến a, Hệ lai khơng thích nghi có điều khiển kinh điển Hãy quan sát hình 4.14 hệ lai có tiền xử lý mờ Nhiệm vụ điều khiển giải điều khiển kinh điển thông số điều khiển không chỉnh định thích nghi Hệ mờ sử dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển Về nguyên tắc, tín hiệu chủ đạo hàm thời gian phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Một cấu trúc cụ thể hệ mờ lai có tiền xử lý mờ biểu diễn hình 4.14 Hình 4.4: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ Hình 4.5: Hệ mờ với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x Tín hiệu chủ đạo đạo x đưa vào hệ thống điều chế qua mờ Tín hiệu vào x so sánh với tín hiệu y hệ thống sai lệch E đạo hàm DE đưa vào đầu vào lọc mờ tạo lượng hiệu chỉnh x, tín hiệu chủ đạo lọc có giá trị x + x Tác dụng lọc mờ toàn hệ thống làm cho hệ thống có đặc tính động tốt nâng cao khả bền vững hệ thông số hệ biến đổi 57 b, Hệ mờ lai Cascade Một cấu trúc mờ lai khác biểu diễn hình 4.16, phần bù tín hiệu điều chỉnh u lấy từ điều khiển mờ Hình 4.6: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc việc chọn đại lượng đầu vào hệ mờ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Tất nhiên đại lượng thường sử dụng làm tín hiệu vào hệ mờ tín hiệu chủ đạo x, sai lệch E, tín hiệu y với đạo hàm tích phân đại lượng Về nguyên tắc sử dụng đại lượng khác đối tượng sử dụng nhiễu xác định Điều khiển cơng tắc thích nghi khóa mờ Điều khiển theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số cấu trúc phù hợp với điểm làm việc đối tượng đòi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất khâu có cấu trúc tham số khác cho trường hợp (Hình 4.17) Hệ thống tự chọn khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng Điều khiển cơng tắc chuyển đổi vị trí để chọn khâu điều khiển phù hợp thực khóa mờ Hình 4.7: Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ Thơng thường khâu điều khiển dùng trường hợp khâu có cấu trúc tham số khác Khác với việc chỉnh định thơng 58 số thích nghi hệ tự chỉnh, thông số chỉnh định cứng qua cơng tắc chuyển đổi Ưu điểm hệ thống điều khiển làm việc độc lập với nhau, kiểm tra tính ổn định hệ ứng với trường hợp riêng biệt Các đại lượng vào hệ mờ xác định theo ứng dụng cụ thể 4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 4.3.1 Đặt vấn đề Để áp dụng phương pháp điều khiển mờ lai cho hệ điều khiển áp nhiệt độ bao nhà máy nhiệt điện, tác giả sử dụng mơ hình mờ lai Cascade Việc thiết kế điều khiển mờ lai thực việc thiết kế khâu điều khiển mờ sau kết hợp với điều khiển PID 4.3.2 Mờ hoá Ta thiết kế điều khiển mờ bao gồm biến trạng thái mờ đầu vào biến mờ đầu Mỗi biến lại chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con) Số giá trị mờ biến chọn để phủ hết khả cần thiết cho khả điều khiển lớn cần số tối thiểu luật điều khiển mờ Hình 4.7: Sự phân bố hàm liên thuộc đầu vào 59 4.3.3 Sơ đồ mô Bộ điều khiển mờ lai có cấu trúc sau Hình 4.8: Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai 4.3.4 Kết mô Kết mô đáp ứng nhiệt độ điều khiển mờ laic ho kết 60 sau: Với đường màu đỏ lượng đặt, yêu cầu ổn đinh nhiệt độ đặt Đường màu xanh dương đáp ứng sử dụng điều khiển mờ Đường màu xanh đáp ứng sử dụng điều khiern PID Dap ung nhiet 120 Td TMo TPID 100 T (oC) 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 t(s) 120 140 Hình 4.9: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 160 180 200 60 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết mô sử dụng hai điều khiển PID mờ, ta nhận thấy: Bộ điều khiển mờ cho chất lượng tốt Tuy nhiên, điều kiện hạn chế thiết bị thí nghiệm, chưa thể tiến hành thực nghiệm, để có kết luận xác so sánh chất lượng điều khiển thực chương ba với 61 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Với đối tượng bình bao nhà máy nhiệt điện, có ba thơng số cần điều chỉnh thường xuyên xung quanh giá trị yêu cầu Đó mức nước, nhiệt độ áp suất lò thực đối tượng đa biến phức tạp Do đó, thời gian có hạn, luận văn bước đầu nghiên cứu điều khiển nhiệt độ cho bình bao nhà máy nhiệt điện, thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến làm việc ổn định hiệu suất nhà máy Bằng phương pháp kiểm nghiệm lại hoạt động điều khiển PID sẵn có thơng qua mơ thực nghiệm cho kết tốt Trên sở này, luận văn tiến hành nâng cao chất lượng cho hệ điều khiển mờ lai Đây điều khiển thông minh ứng dụng logic mờ để thiết kế điều khiển bước đầu kiểm nghiệm mô Nội dung luận văn đáp ứng đầy đủ mục tiêu đề KIẾN NGHỊ Các nghiên cứu tính tốn lý thuyết trước luận văn thường kiểm chứng mô miền thời gian ảo Ngày nay, trước yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo, luận văn tiến hành thí nghiệm đánh giá kết miền thời gian thực Do đa dạng đề tài, yêu cầu thiết bị nhà trường đáp ứng đầy đủ khó khăn Mặt khác, thời gian làm luận văn có hạn nên phải mua sắm thiết bị để xây dựng hệ thống điều khiển mà dùng cho luận văn đầu tư lớn vượt khả học viên Như vậy, hỗ trợ tạo điều kiện tối đa thiết bị Nhà trường to lớn Mặc dù chưa có thí nghiệm cho điều khiển mờ chỉnh định PID, 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 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi, “Hệ mờ nơ ron kỹ thuật điều khiển”, NXBKHTN&CN, Hà nội (năm 2007) [2] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển mờ”, NXBKH&KT, Hà nội (năm 2006) [3] Lê Minh Sơn, “Tự động hố điều khiển q trình”, NXBKH&KT, Hà nội (năm 2007) [4] Lê Thị Huyền Linh, luận văn “nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển mức nước bao nhà máy nhiệt điện” (năm 2009) [5] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab- Simulink”, NXBKH&KT, Hà nội (năm 2006) [6] 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 [7] 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 [8] B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996 [9] Allgower, F., and A Zheng, “Nonlinear Model Predictive Control, Springer_verleg”, 2000 ... chỉnh tương đối độc lập với gồm: Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt, hệ thống điều chỉnh trình cháy, hệ thống điều chỉnh mức nước - Hệ thống điều chỉnh trình... điều chỉnh nhiệt độ nhiệt điều chỉnh điều chỉnh khói 12 1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.2.1 Đặt vấn đề Vai trò nhiệt độ nhiệt. .. với việc điều khiển điều khiển mờ lai thiết bị điều khiển tự động gồm điều khiển kinh điển điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực Với đối tượng điều khiển bình bao nhà máy nhiệt điện