Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho thiết bị trao đổi nhiệt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC HUYÊN ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS TS ĐOÀN QUANG VINH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp thầy PGS TS Đoàn Quang Vinh Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng trung thực tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Người cam đoan NGUYỄN ĐẮC HUYÊN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT Ị TRAO ĐỔI NHIỆT Họ N Đ Mã số: 8520216 C óa ỹ thuật đ ều khiển tự động hóa 34.TĐ QN Trườ Đại học Bách khoa - Đ ĐN Tóm tắt: Đ ề ể t độ t t tra đ t tạ N a Q t ộđề ể tr ề t ố để đ ề ể t độ T đố tư đ t đ t t độ a t a t ộđề ể đề ể ộ đề ể tr ề t ố đ t a đ đ t đ đ t tđề t t tra ộ đư ự a Từ nh ng v đề trên, tác gi đề xu t “Ứng d ng PID mờ đ ều khiển nhi t độ t t tra đ t t ộđề ể ộđề ể tr t ố t t để t t đề ể a t ố ựa vào k t qu đ ều khiển nhi t độ theo hình 4.15, 4.16, 4.17, 4.18 Tác gi ậ t t ộđề ể t r t tốt đưa t tr ể đề t Từ khóa – Tra đ t - t độ APPLICATION OF TEMPERATURE CONTROL FUZZY PID TO HEAT EXCHANGE EQUIPMENT Abstract: The temperature control for heat exchange equipment at Dung Quat Brewery almost uses traditional PID control set in control However, heat exchange equipment always requires high static and moving quality, therefore it is necessary to replace PID control set by another control set Traditional PID control set with weaknesses that cannot meet the change of technology has led to the influence of beer quality Fr a e e t e re ear er r “A at f te erat re tr f zz t eat ex a e e e t w a e at ing fuzzy control set with PID control set in order to improve control quality of the system Base on the temperature control result in picture 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, the researcher realized that the result of application of fuzzy PID control set is very t at’ w t e re f t e t e e e e e e Keywords - Heat exchange equipment; PID; Fuzzy; PID-fuzzy; temperature MỤC LỤC TRANG BÌA LỜ CA ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .1 Lý chọ đề tài M đí u Đối tư ng nghiên c u Nội dung nghiên c u Ý a a ọc thực ti n c a đề tài .4 Bố c c luậ ă C ƯƠNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TẠI NHÀ MÁY BIA DUNG QUẤT 1.2 THIẾT BỊ NẤU BIA: 1.2.1 Máy nghiề a t t: 1.2.3 Nồi lọc (Lauter tun): 12 1.2.4 Nồ đ 13 1.3 LÊN MEN BIA 14 1.3.1 C u tạo chung: .15 1.3.2 Nguyên lý làm vi c: .15 C ƯƠNG XÂY ỰNG Ơ ÌN ĐỐ TƯỢNG HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT .17 2.1 MƠ TẢ TỐN HỌC VỚ ĐỐ TƯỢNG:[1],[3], [5],[7],[8],[9] .17 2.2 MƠ HÌNH THIẾT BỊ VAN Đ ỀU KHIỂN .21 2.2.1 Hàm truyền chuyể đ đ n khí nén: .22 2.2.2 Hàm truyền c a van: 22 2.3 MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 23 C ƯƠNG Ý T YẾT Đ Ề ỂN VÀ Ờ 25 3.1 Ý T YẾT Ộ Đ Ề ỂN 5],[4],[10] 25 3.1.1 Bộ đ ều khiển PID: 25 3.1.2 Nhi m v gi i pháp thi t k đ ều khiển PID: 28 3.1.3 Thi t k đ nh đ ều khiển PID: 29 3.2 Ý T YẾT Đ Ề ỂN Ờ 33 3.2.1 Tậ ờĐ a 34 3.2.2.Bộ đ ều khiển mờ: .40 3.2.3.C c xây dựng đ ều khiển mờ: 43 C ƯƠNG Đ ỀU KHIỂN VÀ Ờ C O ĐỐ TƯỢNG .46 4.1 Đ Ề ỂN C O ĐỐ TƯỢNG 11 .46 4.2 Đ ỀU KHIỂN PID MỜ C O ĐỐ TƯỢNG: 49 4.3 NHẬN XÉT CHUNG: .61 4.3.1 Bộ đ ều khiển PID: 62 4.3.2 Bộ đ ều khiểnmờ PID (Fuzzy-PID): 62 4.3.3 Các k t qu đạt đư c: 63 KẾT LUẬN .64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Q YẾT ĐỊN G AO ĐỀ TÀ LUẬN VĂN T ẠC SĨ ( ẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘ ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN DANH MỤC CÁC BẢNG B ng 4.1: B ật cho Kp .53 B ng 4.2: B ật cho Ki 54 B ng 4.3: B ật cho Kd .54 DANH MỤC CÁC HÌNH S đồ tr e a 1.1 S đồ công ngh s n xu t bia Hình 1.2: Thi t b tra đ i nhi t Alfalaval .7 Hình 1.3: T tra đ i nhi t Alfalaval Hình 1.4: S đồ c u tạo máy nghiề a t t .9 1.5 S đồ h thố xa a t t nhà máy bia Dung Qu t 10 1.6 S đồ nồi gạo nồi malt nhà máy bia Dung Qu t 11 1.7 S đồ nồi lọc nhà máy bia Dung Qu t 13 Hình 1.8: S đồ nồ đ nhà máy bia Dung Qu t .14 Hình 1.9: S đồ tank lên men nhà máy bia Dung Qu t 16 Hình 2.1: S đồ nguyên lý thi t b tra đ i nhi t t m 17 Hình 2.2: S đồ tra đ i nhi t t m nhà máy bia Dung Qu t 21 Hình 2.3: Va đ ều khiển n tính 22 Hình 2.4: C m bi n nhi t độ chuyể đ i transmister 24 Hình 3.1: S đồ toán họ đ ều khiển PID 25 Hình 3.2: Đ ng đ ều khiển 27 Hình 3.3: D i giá tr tham số đ ều khiển 28 Hình 3.4: S đồ c u trúc c a đ ều khiển trình đư đ n hóa 29 Hình 3.5: Mô t đ t a đ i giá tr đ t mạch vịng kín 30 Hình 3.6: Đ ng h KCth 31 Hình 3.7: ận dạng dùng h t độ r e 33 3.8 Đồ th c a tậ 35 Hình 3.9: Độ a í t c c a tập mờ 35 Hình 3.10: ề x đ nh c a tập mờ 36 Hình 3.11: ề tr c a bi n 37 Hình 3.12: Tập mờ t tí 38 Hình 3.13: Tập mờ dạng tam giác 38 Hình 3.14: Tập mờ dạng hình thang 39 3.15 G a a tậ .39 Hình 3.16: H p hai tập mờ 40 Hình 3.17: Bù hai tập mờ .40 Hình 3.18: S đồ khối đ ều khiển mờ .41 Hình 3.19: C u trúc h thống s d ng đ ều khiển mờ 41 4.1 ể đồ nhi t độ d ch bia nhà máy bia Dung Qu t 46 h 4.2: Đườ đ tí độ c a nhi t độ d ch bia 47 4.3 đ ều khiển nhi t độ d ch bia b ng PID 47 4.4 Thông số đ ều khiển PID 48 4.5 Đồ th nhi t độ đư đ ều khiển b ng PID 48 4.6 Đồ t t độ t a đ tr t độ đ t 49 4.7 Các tập mờ c a bi n ETT .50 4.8 Các tập mờ c a bi n DETT 51 Các tập mờ c a bi n Kp 51 4.10 Các tập mờ c a bi n Ki 52 4.11 Các tập mờ c a bi n Kd 53 4.12 Bộ đ ề ể F zz 55 4.13 K t qu gi i mờ Kp, Ki, Kd đ ề ể F zz t độ 56 4.14 Thông số đ ều khiển Fuzzy-PID 57 4.15 Đồ th nhi t độ đư đ ều khiển b ng Fuzzy-PID .58 4.16 Đồ t t độ đ t đư t a đ đề ể F zz 58 4.17: Đồ th nhi t độ so sánh gi a hai đ ều khiển b ng PID Fuzzy_PID .59 4.18 Đồ th nhi t độ so sánh gi a hai đ ều khiển b ng PID Fuzzy-PID t a đ i giá tr nhi t độ đ t 60 4.1 Đồ th giá tr eta t a đ i nhi t độ đ t 61 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Quy trình cơng ngh s n xu t bia gồ ó a a đ ạn n m ba phân xư ng n u bia, lên men bia chi t bia Thi t b tra đ i nhi t làm lạnh d ch â xư ng n u Thi t b làm lạnh d bia n m â xư ng n a đ ạn chuyển giao d â xư ng lên men bia Ở cuố đ ạn cuối c a a đư c làm lạnh sang a đ ạn l ng xốy d ch bia có nhi t độ 970C đ n nhi t độ 90C theo yêu c u công ngh ch ng loại giống c n làm lạ e để e a í T t ường kho 0.5 đ n lít men 100 lít đường d nh 1: đ nguy n l u t nh n u l n m n ia đề đ t h u h t đ ều s d ng đ ều khiển PID (Proportional V Integral Derivative) truyền thố đ để đ ều khiển nhi t độ, v i hạn ch không đư c t a đ i thông số vận hành d í x a đ đư c yêu c đ n vi đ ều khiển không t a đ i công ngh Khi nhi t độ c a d ch bia không đ n men bia, d đ nh, làm cho bia b s m màu, gây nh đ n ng ch t ng c a bia n c i ti n đ ều khiển PID b ng cách k t h p v i đ ều đại khiển hi đ ều khiển mờ để đ ều khiển nhi t độ gi i pháp c n thi t đư c lựa chọn Trong trình vận hành thi t b tra đ i nhi t có t a đ i thơng số h thống số đ ều khiển t hoạt động khơng xác theo đ thời gian ho đư c yêu c u công ngh thực t làm vi c Đ ều khiển mờ s d ng kinh nghi m c a chuyên gia gi i quy t đư c v n đề c a đ ều khiể đ ển áp d ng r t hi u qu q trình cịn thi u thơng tin, khơng thể đ đạc xác hay tr đ rõ đ ều khiển mờ vào h thố ck th ưa x đ ều khiển thi t b tra đ i nhi t gi i pháp c n thi t để c i thi n ch t ng h thống Mục đích nghiên cứu Nghiên c u thi t k đ ều khiển PID mờ cho thi t b tra đ i nhi t dựa lý thuy t mờ a ó t ể áp d ng thật đ ều khiển nhà máy Bia Dung Qu t tr Nhiên c lạ t a c lạ đ ể tra đ i nhi t gi a hai ch t l ng nóng ă t m m ng c a thi t b tra đ i nhi t t m đư a ó D đề đ ều khiển b ng van n tính đ at t b tra đ i nhi t đư ngõ thi t b tra đ i nhi t đ ều khiển b ố ng ngõ nhi t độ d ch bia H thống có mơ hình toán ph c tạp, s d ng để đ ề ể đố tư í x a ng nhanh đề ể ột thời gian làm vi c Ứng d ng đ ều khiển PID mờ đ ều khiển nhi t độ d ch bia đ ng đ nh 62 ó t a đ i nhi t độ - đ t trình hoạt động, m da động nhi t độ b ng đ ều khiển Fuzzy-PID tốt độ ều so v i b ng đ ều khiển PID - Sai số xác lập đ ều khiển Fuzzy-PID tốt ộ đ ều khiển 10C PID nh 4.3.1 Bộ điều khiển PID: - Trong công nghi p s n xu t đa n đ ều khiể đ đư c đ ều khiển trình, thực t đư c s d ng rộng rãi nhu c u ph n l nhà máy s n xu t công nghi p hi n - Độ đ ều chỉnh tr độ ẽ a tr đ t (setpoint) khácnhau t a đ ể ũ ố n, t t ố -C t tr tr ậ t ố t ố đề ạt độ -Q tr t ể ( ó a eđ a x ậ ậ ra) t t đề đề ể t a đ t t ườ t ố t ố a t a đ quy t đề tr đề ể t độ a tr 4.3.2 Bộ điều khiểnmờ PID (Fuzzy-PID): -Q tr - t a đ ể đề ể t t độ ố t ố a ( ó t tr đ t a đ ) 63 -C t tố đề trườ - Độ x t a đ ó ựt độ ỉ t độ t a đ t độ a a a - Sa ố x -T ậ t độ r t a t t - Tố độ x t ố t độ a đề ể x đ t ậ nhanh tr tr ó ậ đạ tố độ đ ỉ 4.3.3 Các kết đạt được: đề t tốt Sau tháng l - ọ ể t ót ểđ tr N a ă -S ỉ t đư ộ đề t a â : ể t Q t t đ ự tạ ậ ) - Nâ t a tố đ a ể tr ậ t t 1000 ộ đ ề ộđề ể ể ũ t t t ể tr tố ỉ đề đ t đề tr tr at a S (T ộđề ể tạ đ x t tốt 64 KẾT LUẬN Các mặt hạn chế: ưa tí - đ đề ể đ Hướng phát triển đề tài: - Xe xét để tă t t đề glycol â t tr ể đ ề ể đưa t t ố - t ộđề đề ể a tố đ í ậ x t ể ể a ưỡ nhà máy đề ể t độ a đ a 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Modeling of plate heat exchangers withgeneralized configurations, Jorge A.W Gut, Jos_e M Pinto [2] Thermal model validation of plate heat exchangers with generalized configurations,Jorge A.W Guta, Renato Fernandesa, José M Pintoa,b, Carmen C Tadinia S C sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xu t b n Bách Khoa Hà Nội, 2006 ã [4] Nguy c, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xu t b n khoa học kỹ thuật 2002 [5] Bùi Quốc Khánh - Phạ Q a Đă - Nguy - Vũ T y Nguyên, Điều khiển trình, Nhà xu t b n khoa học kỹ thuật 2014 a X â a ọ Đ Tí T a ã ỹt ật 2002 L thuyết điều khiển mờ, NXB Tuyền nhiệt t nh to n thiết ị t ao đổi nhiệt, NXB a ọ [8] Tr N ỹt ật 2001 , Ứng dụng phư ng ph p điều khiển dự aosth o mô h nh cho điều khiển nhiệt độ t ong u t nh làm lạnh nhanh, t Đạ ọ Đ Nẵ [9] N nhiệt m y tạo hạt nhựa, tự động, Nhà xu t b ă 2017 , Ứng dụng P [10] Nguy n Th ậ ậ mờ điều khiển nhiệt độ cho ộ gia ă t Đạ ọ Đ Nẵ 2016 ỳnh Thái Hoàng (2005), Lý thuyết điều khiển Đại học Quốc Gia TP.HCM [11] Nguy n Phùng Quang (2004), Matlab &Simulink, Nhà xu t b n Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 66 ... 3.17:Bù hai tập mờ Hình 3.16 Bù hai mờ 3.2.2 ộ điều khiển mờ: Bộ đ ều khiể đư c xây dựng dựa tr lý thuy t đ ều khiển mờ đư c gọi đ ều khiển mờ a Cấu trúc điều khiển mờ: Bộ đ ều khiển mờ bao gồm ba... ều khiển PID PID mờ C 4: Đ ều khiển PID PID mờ tra đ i nhi t đố tư ng CHƯƠNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT... đoan NGUYỄN ĐẮC HUYÊN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT Ị TRAO ĐỔI NHIỆT Họ N Đ Mã số: 8520216 C óa ỹ thuật đ ều khiển tự động hóa 34.TĐ QN Trườ Đại học Bách