Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC KHO A C H U YÊ N M Ô N TR Ư Ở N G K H O A THÁI NGUY ÊN 2014 TS Trần Xuân Minh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lò thiết bị xảy ra q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa biến nước thành hơi, biến lượng nhiên liệu thành nhiệt dòng thiết bị cơng nghiệp sử dụng nhiều nhà máy nhiệt điện số công nghệ khác Trong nhà máy nhiệt điện, lò sản xuất để làm quay tuốc 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 có cấu trúc phức tạp với nhiều 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 q 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 – khơng 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 Việc nghiên cứu thiết kế chỉnh định hệ thống điều khiển lò yêu cầu cần thiết cán kỹ thuật thuộc lĩnh vực điều khiển tự động hóa Trong hệ thống điều chỉnh áp suất bao khâu quan trọng hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò 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 Mặt khác số lò hệ cũ lò dây chuyền nhà máy nhiệt điện Phả Lại yêu cầu phải nâng cấp hệ thống điều khiển để cải thiện chất lượng điều khiển đại Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển q trình lò điều khiển ổn định áp suất Mô thực nghiệm để kiểm chứng kết thiết kế (Với đối tượng điều khiển mơ hình lò nhà máy nhiệt điện Trung tâm thí nghiệm Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên) - Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 3.Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu hệ thồng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiện điện Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất bao cho lò Trung tâm thí nghiệm - Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Chương 4: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao Kết luận kiến nghị Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 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 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 chuyển hóa thành nước Hơi nước (với điều kiện áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) đưa tới sinh công tuabin 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 thành 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 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 cấp điện áp thích hợp trước hồ vào mạng lưới điện quốc gia Q trình chuyển hố 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 hồ mang nhiệt Hơi bão hồ mơi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt biến đổi thành năng, sau từ chuyển hố thành điện Q trình chuyển hố lượng thể qua mơ hình sau: Hình 1.1 Q trình chuyển hóa lượng 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa nguyên tắc chuyển hóa nhiệt thành sau thành điện năng; nhiệt tạo thành từ việc đốt cháy nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ buồng đốt làm nước lò chuyển hóa thành nước Nước ngưng từ bình ngưng tụ o bơm ngưng bơm vào bình gia nhiệt hạ áp đến 140 C Tại đây, nước ngưng gia nhiệt nước trích từ cửa trích qua tuabin Sau qua gia nhiệt hạ áp, nước ngưng đưa lên bình khử khí 6at để khử hết bọt khí có nước, chống ăn mòn kim loại Nước sau khử khí, bơm cấp nước đưa qua bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục gia nhiệt nước trích từ cửa trích xilanh cao áp tuabin đến o nhiệt độ 230 C Sau gia nhiệt gia nhiệt cao áp, nước đưa qua hâm nước lò vào bình bao Nước bình bao theo vòng tuần hồn tự nhiên chảy xuống giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt từ buồng đốt lò biến thành nước trở bình bao Trong bình bao phần bão hòa ẩm, phía nước ngưng Hơi bão hòa ẩm bình bao khơng đưa vào tuabin mà đưa qua sấy hơi, sấy khô thành nhiệt, đưa vào tuabin Tại tuabin, động dòng biến thành quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau sinh công tầng cánh tuabin ngưng tụ thành nước bình ngưng tụ Cơng tuabin sinh làm quay máy phát điện Như vậy, nhiệt nhiên liệu biến đổi thành điện năng, nước môi chất trung gian biến đổi theo vòng tuần hồn kín Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò Trong nhà máy nhiệt điện, lò thiết bị lớn sinh vận hành phức tạp Nó có trình độ khí hóa tự động hóa cao, làm việc đảm bảo hiệu suất tương đối cao Trong xảy q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa biến nước thành hơi, biến lượng nhiên liệu thành nhiệt dòng Lò có nhiệm vụ sau: - Chuyển hóa lượng nhiên liệu hữu than đá, dầu mỏ, khí đốt… buồng đốt nhiên liệu thành điện - Truyền nhiệt sinh cho môi chất tải nhiệt môi chất thông qua hệ thống dẫn đưa mơi chất làm quay tua bin Thường lò chất tải nhiệt nước có nhiệt độ thơng thường đưa lên nhiệt độ cao nhiệt độ sơi, biến thành bão hòa q nhiệt 1.2.2.Cấu tạo lò Nguyên lý cấu tạo lò biểu diễn hình 1.3 Cấu tạo chung lò nhằm thực nhiệm vụ chính: Một chuyển hóa nhiên liệu thành nhiệt sản phẩm cháy, nghĩa đốt nhiên liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sơi, bão hòa q nhiệt có áp suất nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng Hình 1.3: Ngun lí cấu tạo lò 1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + khơng khí 4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn trần; 7- nhiệt hơi; 8- Bộ nhiệt trung gian hơi; 9- hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh sửa chữa; 11- sấy khơng khí Bộ điều khiển mờ KP e KD e Bộ điều khiển mờ  Bộ điều khiển mờ Hình 4.14: 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 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 4.14) Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức [9]: sai lệch e(t) đạo hàm  KP KP max K K  ,K P D D  , Kmax D  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hóa tham số sau: K  KP P K P  K max  P P K K  K K D  D max D D K D K min để có  KP, KD  Như chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), K2 T KP, KD  Trong đó:   K I  I  D  T  dt P K det D đầu  A1 A2 A3 A0 A4 A6 A5 C1 e, emax -emax C2 C3 C4  e Hình 4.15: Tập mờ e e’  Hình 4.16: Tập mờ  B1 B2 KP; KD Hình 4.17: Tập mờ Kp KD Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, sau tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), det  đầu dt KP, KD  Với tập mờ đầu vào (hình 4.15), tập mờ đầu cho biến KP, KD (hình 4.17) tập mờ đầu  (hình 4.16) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc Max-prod giải mờ phương pháp độ cao Các luật chỉnh định [9]: * Luật chỉnh định Kp:  e e Bảng 4.1 A1 A2 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 4.3.2 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 4.4 Khảo sát mô Matlab/Simulink 4.4.1 Sơ đồ mô Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID điều khiển PID Hình 4.18: Sơ đồ mơ áp suất bao với điều khiển mờ chỉnh đ nh tham số PID Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: Hình 4.19: Sơ đồ mơ áp suất bao với cấu trúc điều khiển mờ chỉnh đ nh tham số điều khiển PID 4.4.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Hình 4.20: Đáp ứng áp suất bao sử dụng điều khiển mờ chỉnh đ nh tham số PID PID với áp suất đặt Pđặt = 1,5at (chưa thay đổi tham số) Dap ung ap suat cua he thong muc nuoc bao hoi (PID va Mo chinh dinh PID) 1.8 1.6 1.4 P dat P pid P mo chinh dinh pid Ap suat 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 100 150 200 Time 250 300 350 400 Hình 4.21: Đáp ứng áp suất bao sử dụng điều khiển mờ chỉnh đ nh tham số PID PID với áp suất đặt Pđặt = 1,5at (thay đổi tham số lần một) Dap ung ap suat cua he thong muc nuoc bao hoi (PID va Mo chinh dinh PID) 1.8 1.6 1.4 P dat P pid P mo chinh dinh pid Ap suat 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 100 150 200 Time 250 300 350 400 Hình 4.22: Đáp ứng áp suất bao sử dụng điều khiển mờ chỉnh đ nh tham số PID PID với áp suất đặt Pđặt = 1,5at (thay đổi tham số lần hai) 4.4.3 Nhận xét Từ kết mơ hình 4.20, hình 4.21 4.22 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 áp suất bao nhà máy nhiệt điện 4.5 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Đặt vấn đề sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển ổn định áp suất bao cho lò - 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 áp suất 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 phương pháp điều khiển để điều khiển áp suất bao Nhiệm vụ cụ thể Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Giới thiệu hệ thồng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất bao cho lò Trung tâm thí nghiệm - Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Chương 4: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất bao mơ hình lò nhà máy nhiệt điện Trung tâm thí nghiệm - Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Kết mô thực nghiệm chứng minh điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu công nghệ điều khiển ổn định áp suất bao lò nhà máy nhiệt điện Luận văn đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển ổn định áp suất bao điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết mơ cho thấy thơng số lò thay đổi (do chế độ lò thay đổi) điều khiển mờ chỉnh định tham số PID trì chất lượng làm việc hệ điều khiển PID chất lượng bị giảm sút không đáp ứng với yêu cầu công nghệ Kiến nghị: Với việc nghiên cứu độc lập đại lượng áp suất bao điều khiển PID điều khiển mờ chỉnh định tham số PID thiết kế đảm bảo làm việc đối tượng điều khiển Nhưng thực tế hệ thống điều khiển áp suất bao hệ thống phức tạp có tác động lẫn yếu tố: mức - áp suất - nhiệt độ - lưu lượng Nên điều khiển thực tế cần phải tính đến yếu tố mà phạm vi đề tài chưa nghiên cứu Trong nội dung đề tài đề xuất đến loại thay điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Để triển khai áp dụng thay điểu khiển nhằm cải thiện chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao cần phải nghiên cứu đến điều khiển khác như: - Bộ điều khiển mờ lai - Bộ điều khiển mờ thích nghi 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 thuy t điều khiển n tính” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [8] Nguyễn Doãn Phước: “Phân tích điều khiển hệ phi n” NXB Bách Khoa, 2012 [9] Phước, N D; Minh.X.P, Lý thuy t 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 ... phải nâng cấp hệ thống điều khiển để cải thiện chất lượng điều khiển đại Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao cấp... BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216... điều khiển áp suất bao - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển hệ thống áp suất bao 17 1.3.4 Dự kiến kết đạt đƣợc - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất