Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LỊ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG 1.1 Tổng quan 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 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò 1.2.2 Cấu tạo lò 1.2.3 Hệ thống điều khiển lò 1.2.3.1 Lò đối tượng điều khiển 1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò 1.3 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh áp suất bao nhà máy nhiệt điện 1.3.1 Đặt vấn đề 1.3.2 Hệ điều khiển bao 1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.4 Dự kiến kết đạt 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy nhiệt điện 2.2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao 2.2.2 Xây dựng hàm truyền thành phần hệ thống 2.2.2.1 Thiết bị đo 2.2.2.2 Thiết bị chấp hành HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH i ii 9 10 11 11 11 13 13 14 15 15 17 18 19 19 20 20 22 22 22 22 25 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2.2.2.3 Bình bao 2.3 Hàm truyền hệ thống 2.4 Kết luận: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Tổng quan điều khiển PID 3.2.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 3.2.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 3.2.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 3.2.1.3 Phương pháp số thời gian tổng Kuhn 3.2.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 3.2.2.1 Nguyên tắc thiết kế 3.2.2.2 Phương pháp tối ưu modul 3.2.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 3.3 Thiết kế điều khiển áp suất bao 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink 3.4.1 Sơ đồ môphỏng matlab – Simulink 3.4.2 Các kết môphỏng 3.5 Đánh giá chất lượng hệ thống thực nghiệm 3.5.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 3.5.2 Giới thiệu mơhình thực nghiệm 3.5.3 Các kết thực nghiệm 3.5.4 So sánh với kết môphỏng 3.6 Kết luận chương CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI 4.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 4.1.1 Tổng quan điều khiển thích nghi 4.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở lýthuyết tối ưu cục (phương pháp Gradient) HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 29 31 32 33 33 33 34 34 35 36 36 36 37 38 39 40 40 41 42 42 44 47 48 48 49 49 49 51 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4.1.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lýthuyết Lyapunov 4.2 Sơ đồ kết mô với phương pháp điều khiển thích nghi 4.2.1 Sơ đồ mơphỏng 4.2.2 Kết môphỏng 4.3 Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 56 59 59 60 61 62 63 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Qtrình chuyển hóa lượng Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy Hình 1.3: Ngun lícấu tạo lị Hình1.4: Một số phận lị đốt than phun Hình 1.5: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển lị Hình 2.1: Sơ đồ khối vịng hệ thống điều khiển qtrì nh 10 11 12 13 15 22 Hình 2.2: Cấu trúc bản thiết bị đo quá trình 23 Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp 24 Hình 2.4: Cấu trúc bản thiết bị chấp hành Hình 2.5: Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén Hình 2.6: Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động van điều khiển 26 26 28 30 32 33 34 35 36 39 Hình 2.7: Bao nhà máy nhiệt điện Hình 2.8:Cấu trúc mơtả tốn học tồn hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính (PID) Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID Hình 3.3: Đồ thị quá độ Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện Hình 3.6: Cấu trúc mơphỏng điều khiển mức nước cấp bao Hình 3.7: Đáp ứng hệ thống áp suất với lượng đặt Pdat = 1,5at Hình 3.8: Đáp ứng hệ thống áp suất với lượng đặt nhảy bậc từ Pdat = 1,5at lên 2at Hình 3.9: Cấu trúc thínghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao Hình 3.10: Bao Hình 3.11: Giao diện thínghiệm điều khiển áp suất bì nh bao Hình 3.12: Giao diện kết quả thínghiệm điều khiển áp suất bình bao Hình 3.13: Kết quả thínghiệm điều khiển áp suất với KP = 100; KI = 20; KD = 0,5 Hình 3.14: Kết quả thínghiệm điều khiển áp suất với KP = 10; KI = 20; KD = 0,5 Hình 4.1: Cấu trúc bản hệ thống thích nghi HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 40 41 41 42 42 43 43 47 48 49 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số kh́ch đại Hình 4.3: Điều khiển theo mơhình mẫu Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh Hình 4.5: Cấu trúc mơhì nh mẫu song song Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mơhình mẫu bậc Hình 4.7: Kết quả mơphỏng thích nghi kinh điển pp Gradient: hình a, với K=5, T= 0.5s; hì nh b, với K=7, T=0.8s Hình 4.8: Minh hoạ phương pháp Lyapunov với việc khảo sát tính ổn định Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa lýthuyết Liapunov Hình 4.10: Đáp ứng hệ thống thích nghi kinh điển kiểu Liapunov: hình a, với K=5, T= 0.5s; hì nh b, với K=7, T=0.8s Hình 4.11: Sơ đồ mơphỏng theo phương pháp thích nghi Gradient Hình 4.12: Sơ đồ mơphỏng so sánh phương pháp thích nghi và PID Hình 4.13: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk thích nghi Hình 4.14: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk thích nghi vàPID HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 50 51 51 51 56 56 57 58 59 59 60 60 61 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng nghiệp lượng có vai trị quan trọng công xây dựng phát triển kinh tế quốc dân, góp phần lớn vào việc ổn định phát triển xã hội, an ninh, quốc phòng Cùng với phát triển kinh tế đất nước, nước ta xây dựng nhiều nhàmáy nhiệt điện công nghệ phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển xã hội q trình cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Có nhiều nhàmáy nhiệt điện xây dựng, nhà máy khai thác nhà máy nhiệt điện Phả Lại Cũng số lị cơng nghiệp khác cần có thay đổi điều khiển PĐ cũ (do Liên Xô cũ sản xuất) điều khiển đại Trong nhàmáy nhiệt điện, lò sản xuất để làm quay tuôc- bin, phục vụ cho việc sản xuất điện thiết bị lớn vàvận hành phức tạp nhất, làmột hệ thống cónhiều đầu vào vànhiều đầu Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống cócấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác Nhiệm vụ cơng tác vận hành lị đảm bảo cho lò làm việc trạng thái kinh tế nhất, an toàn thời gian lâu dài Việc tự động hóa lị chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động q trình lị để đảm bảo cho lò làm việc ổn định vàkinh 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 quátrình cháy - Hệ thống điều chỉnh sản lượng - Hệ thống điều chỉnh áp suất HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trong hệ thống điều chỉnh áp suất bao khâu trọng yếu hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trị quan trọng việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò Việc đưa phương pháp điều khiển đại áp dụng cho hệ thống điều khiển quátrì nh, cụ thể điều khiển áp suất bao nhàmáy nhiệt điện, đảm bảo khả hoạt động tốt chế độ làm việc địi hỏi nhàkhoa học khơng ngừng phát triển nghiên cứu Vìvậy nghiên cứu thiết kế điều khiển thích nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao cấp thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, việc “Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy nhiệt điện” tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển, từ góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất suất thúc đẩy phát triển kinh tế Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đề tài góp phần củng cố bổ sung cho sở lý thuyết điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhàmáy Nhiệt điện 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu đề tài cóthể ứng dụng vào điều khiển vàổn định áp suất mức nước hệ thống mức nước bao nhàmáy Nhiệt điện Nội dung nghiên cứu - Tổng quan lị điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nói chung - Giới thiệu, phân tích cơng nghệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất, hệ thống mức nước bao nhàmáy Nhiệt điện - Nhận dạng đối tượng điều khiển, phần điều khiển vàổn định áp suất từ mơ hình lị nhàmáy nhiệt điện Trung tâm Thínghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thiết kế điều khiển PID cho hệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhàmáy Nhiệt điện - Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhàmáy Nhiệt điện HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - So sánh kết thu với phương pháp ứng dụng để rút kết luận vàýkiến đề xuất - Nghiên cứu điều khiển hệ thống môphỏng - Nghiên cứu thực nghiệm nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan lị điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống bì nh bao nhàmáy nhiệt điện nói chung Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển ổn định áp suất hệ thống bì nh bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống bình bao mơphỏng vàthực nghiệm Chương 4: Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống bình bao Kết luận vàkiến nghị HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LỊ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện chiếm thị phần quan trọng ngành sản xuất điện đất nước Nhàmáy nhiệt điện hoạt động dựa nguyên tắc chuyển hóa nhiệt thành sau thành điện Ở nhiệt tạo thành từ việc đốt cháy nhiên liệu: than đá, khíthiên nhiên, dầu mỏ buồng đốt làm nước lị nóng lên chuyển hóa thành nước Hơi nước (với điều kiện áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) đưa tới tuabin sinh công Điện thu đầu máy phát đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thí ch hợp trước hòa vào lưới điện quốc gia 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện Nguyên lýsản xuất điện nhàmáy nhiệt điện làchuyển hoánhiệt từ đốt cháy loại nhiên liệu lò “như than khí thiên nhiên,…” thành làm 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 đưa 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 đạt cấp điện áp phùhợp trước hồvào mạng lưới điện quốc gia Qtrì nh chuyển hoá lượng từ lượng hoá chứa nhiên liệu thành nhiệt trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt quátrì nh đốt cháy nhiên liệu cấp cho quátrình 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 mơhì nh sau: HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 1.1 Qtrình chuyển hóa lượng 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện Nhàmáy 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 bơm ngưng, bơm vào bình gia nhiệt hạ áp đến 140oC 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 đạt đến nhiệt độ 230oC Sau gia nhiệt gia nhiệt cao áp, nước đưa qua hâm nước lị vào bình bao Nước bình bao theo vịng tuần hồn tự nhiên chảy xuống giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt từ buồng đốt lị biến thành nước vàtrở bì nh bao Trong bình bao phần bão hịa ẩm, phía nước ngưng Hơi bão hịa 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 HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 10 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI 4.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 4.1.1 Tổng quan điều khiển thích nghi Lýthuyết điều khiển thích nghi đời từ năm 50 kỷ 20 hình thành môn khoa học, từ tư trở thành thực, từ cách giải vấn đề trở thành toán tổng quát, từ vấn đề tồn vàkhả giải đến áp dụng định hướng xuất phát từ tính bền vững vàchất lượng Thích nghi q trình thay đổi thơng số cấu trúc hay tác động điều khiển sở lượng thơng tin có qtrình làm việc nhằm đạt trạng thái định (thường làtối ưu) thiếu lượng thông tin ban đầu thay đổi chế độ làm việc hệ thống Cấu trúc hệ thống thích nghi trình bày hình 2.1 Hệ thống điều chỉnh theo u cầu với đại lượng vào, phải cho đại lượng mong muốn Nhưng nhiều yếu tố ảnh hưởng nhiễu, đại lượng vào qlớn hay khơng biết trước, để đạt theo tiêu yêu cầu, hệ thống phải tự động thí ch nghi bùsai số Cơ cấu thích nghi tạo tí n hiệu thích nghi tín hiệu từ khâu so sánh Các tiêu chất lượng theo yêu cầu đặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với giátrị đo lường vàtí nh tốn theo thơng số thực trạng hệ thống điều chỉnh (các tín hiệu đại lượng vào, đại lượng ra, nhiễu) Nhiễu biết trước Nhiễu không biết Tí n hiệu vào Hệ thống điều chỉnh Cơ cấu thí ch nghi Tiêu chuẩn đặt trước IP* Tí n hiệu Đo lường theo Tiêu chuẩn IP So sánh Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống thí ch nghi HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 49 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mạch vịng thích nghi thơng qua cấu thích nghi để điều khiển thơng số hệ thống điều chỉnh, hay thay đổi đầu vào theo cấu thí ch hợp để tiêu chuẩn đặt trước IP* vàtiêu chuẩn IP (Index of Performance) cósai lệch nhỏ Cấu trúc hệ thống thí ch nghi gồm ba khâu bản: - Đo lường theo tiêu chuẩn IP - Khâu so sánh - Cơ cấu thích nghi Các tiêu chuẩn IP là: Các số tĩnh, số động, số thông số, hàm biến thơng số vàcác tín hiệu vào Cơ cấu thích nghi cóthể là: - Thích nghi thơng số - Tổng hợp tí n hiệu bổ xung Chiến thuật thí ch nghi cóthể là: - Tiền định - Phỏng đốn (Scholastic) - Tự học Hệ thống cần điều khiển điều khiển thích nghi ổn định theo thơng số đó, cho dù tín hiệu vào khơng biết trước hay qlớn Hệ điều khiển thích nghi có sơ đồ chính: - Điều chỉnh hệ số khuếch đại - Điều chỉnh theo mơhình mẫu - Hệ tự điều chỉnh Bộ điều chỉnh thơng số Tí n hiệu chủ đạo Bộ điều khiển Điều chỉnh hệ số khuếch đại Tí n hiệu điều khiển Đối tượng Đo lường So sánh Đầu Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số khuếch đại HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 50 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mơ hình mẫu Ra mơhì nh ym (-) Mạch vịng ngồi Tí n hiệu chủ đạo (+) Sai số Cơ cấu thí ch nghi Bộ điều khiển Tí n hiệu Đối tượng Mạch vịng Hình 4.3: Điều khiển theo mơhì nh mẫu Tí nh tốn thiết kế Các thơng số qtrì nh Đánh giá thơng số Tí n hiệu chủ đạo Bộ điều chỉnh Tí n hiệu điều khiển Đối tượng Tí n hiệu Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh Các thơng số điều chỉnh hiệu chỉnh nhờ mạch vịng ngồi dựa sở sai số mơ hình mẫu ym vàquátrì nh y Vấn đề xác định cấu hiệu chỉnh cho ổn định vàsai số tiến 4.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở lý thuyết tối ưu cục (phương pháp Gradient) Xét hệ thống điều khiển thích nghi hình vẽ: Mơhình mẫu u Bộ điều chỉnh ym (+) y (-) Đối tượng  Cơ cấu thích nghi Hình 4.5: Cấu trúc mơhì nh mẫu song song HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 51 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Xét mơhình mẫu cho phương trình:  dy m d ym  y m  a1  a2  dt dt     b0u   (4.1) Hệ điều khiển cho phương trình: dy d y   a2  y  a1   bˆ   , t  u dt dt   (4.2) đó: ym, y : Làtín hiệu đầu mơ hình đối tượng u : Làtí n hiệu vào bˆ   , t  : Làthơng số điều chỉnh, coi bˆ   , t  có hai phần: Một phần b0 làchuẩn vàmột phần điều chỉnh cấu thí ch nghi ta cần hiệu chỉnh để bˆ   , t  hội tụ b0 Hàm mục tiêu việc điều chỉnh làhàm cực tiểu (2.3)  IP   tk t  L   , t dt  tk t tk    t dt  Min (4.3) tk Trong đó: L  , t  : Làdạng bình phương sai số  = ym – y : Sai số đầu mơhì nh mẫu vàhệ thống điều chỉnh, phụ thuộc gián tiếp vàsai lệch b0 - bˆ   , t  Áp dụng phương pháp Gradient, ta tìm luật thích nghi bản:  bˆ   , t     grad đó: +  IP    bˆ    IP  (4.4)  bˆ : Chỉ rõluật thay đổi bˆ   , t  + : Hệ số thích nghi cógiátrị dương Tương ứng cótốc độ thay đổi thông số điều chỉnh d bˆ   dt     IP      t   bˆ  bˆ   , t  : (4.5) Giả thiết qtrình thí ch nghi chậm, tức làbiến đổi (IP) dẫn đến từ biến đổi bˆ   , t  thời điểm nhỏ HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 52 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Viết lại phương trình ta có: d bˆ   dt   L  , t   bˆ      (4.6)  bˆ Biểu thức 4.6 gọi làluật MIT Để xác định cấu thích nghi, ta đạo hàm  = ym – y theo   bˆ y m    bˆ y  bˆ   bˆ : y (4.7)  bˆ Vìym khơng phụ thuộc vào thơng số điều chỉnh bˆ   , t  Thay (4.7) vào (4.6) ta cóluật thích nghi là: d ˆ y b   , t     dt  bˆ (4.8) Lấy đạo hàm riêng hai vế phương trình (4.2) theo b0 ta có: y  bˆ    a1  y  a2  bˆ  y (4.9)  bˆ Giả thiết q trì nh thích nghi chậm, thơng số bˆ biến đổi chậm, phương trì nh (4.9) lấy gần đúng: y  bˆ    a1   y     a  t   bˆ   t 2   y    ˆ  b  (4.10) Viết gọn lại ta được:  d 1  a  a  dt  d dt 2  y   u  ˆ  b (4.11) So sánh phương trình (4.11) (4.10) ta rút ra: y  bˆ  ym (4.12) b0 Thay (4.12) vào (4.8) ta có: d bˆ  , t   dt   ym (4.13) b0 Do luật thích nghi là: d bˆ dt  , t    '  y m HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH (4.14) 53 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Với ’ = /b0 ( > 0) Trường hợp tổng qt, ta cómơhình mẫu cho phương trình:     i  a is  Y (s )      n  i  m  b   ( s ), s s j   j (4.15)  j Đối tượng điều khiển biểu diễn phương trình:     i   a i   ( s ), s s  Y ( s )   i   n  m  b j j   ( s ), s s j   (4.16)  Với tiêu chuẩn tối ưu (IP) cho phương trình (4.3), vàa0 = ta tìm luật thích nghi: d aˆ i  , t    i   , t    i  dt d bˆ j dt Trong đó: a i , b j a b y  aˆ i y  bˆ ; i = 1,2,…n (4.17) ; i = 1,2,…m (4.18) j làhằng số dương Muốn tìm cấu thích nghi, ta xác định hàm độ nhạy: y  aˆ i y  bˆ j Theo (4.16) thời điểm t = t1, ta thấy:  ( s )    Y   i   aˆ i   ( s ), s s  Y ( s )   i 1   n m  bˆ j1  j   ( s ), s s j  U ( s ) (4.19)  Giả thiết tốc độ biến thiên hệ số điều chỉnh chậm, từ (4.19) vi phân hai vế theo âi vàbˆ j ta nhận được:  Y (s )  aˆ i s  s1  Y (s )  bˆ j  i  s Y (s )      s U     j s  s1 n  i 1 m  j1 b i   Y (s ) a i   ( s ), s s   a i   Y (s )   ( s ), s s j  j  b (4.20) (4.21) j Từ suy hàm truyền lọc là: F s   n   a i   ( s ), s s (4.22) i i 1 HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 54 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trong trường hợp đơn giản, lấy gần hoá hàm nhạy cảm, nhận được:  Y (s )  aˆ i  Y (s )  bˆ Với i = 1, 2, 3…, n i  s Y (s ) j  s  (4.23) Với j = 1, 2, 3…, m (4.24) j Vídụ: Xét đối tượng mơ tả bởi: dy ; Mơ hình mẫu mơ tả   ay  bu dt phương trình: dy m dt  a m y  bm u c Tín hiệu điều khiển: u  K 1u c  K y Đặt: e = ym – y; y đầu hệ kí n, ta có: Y (s )  bK s  a  bK U c (s ) ; Với s làtoán tử Laplace Hàm độ nhạy xây dựng đạo hàm riêng sai số theo biến K1 K2  E (s ) K  E (s ) K   bK s  a  bK U c (s ) 2  b K1 s  a  bK  2 U c (s )  b s  a  bK Y (s ) Các công thức sử dụng phương pháp gần Ta thấy s + a + bK02 = s + am Ta nhận quy luật điều khiển tham số: K1   K  1 bm  U c (s )  E (s )   ss  am   1 bm    Y (s )  E (s )   ss  am  dK Hay   g m u c e    g m y e dt dK dt (4.25)  (4.25) nói lên tốc độ hội tụ thuật tốn thích nghi HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 55 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Gm(s) ym + uc  + u G(s) K1 y e -   K2 s   s bm s  a  m  bm s  am Hì nh 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thí ch nghi theo mơhình mẫu bậc Kết mơphỏng kiểm chứng vídụ: a, b, Hình 4.7: Kết mơphỏng thích nghi kinh điển pp Gradient: hình a, với K=5, T= 0.5s; hì nh b, với K=7, T=0.8s 4.1.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Lyapunov Lýthuyết ổn định Lyapunov tìm nhàbác học Nga Liapunov vào cuối kỷ 19 Tư tưởng phương pháp Liapunov xây dựng sở bảo tồn lượng hệ vật lý Hệ vật lý có lượng toàn trạng thái cân bằng 0, xung quanh trạng thái cân lượng hệ lớn có xu tiến đến Trạng thái cân gọi làổn định vùng xung quanh điểm cân hệ thống, giá trị hàm giảm dần không thay đổi HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 56 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Để kiểm tra tính ổn định hệ thống vị tríxe, cần phải xác định hàm lượng V( x  ), gọi hàm Lyapunov, phụ thuộc vào trạng thái hệ thống Tổng quát coi xe điểm gốc không gian trạng thái lân cận hàm V(0) xác định dương Khi véc tơ: gradV  V V   , ,  x n  x véc tơ x ( x     Grad V Quỹ đạo x Đường đông mức V(x) = k1 Xe V(x) = k2 < k1 Hì nh 4.8: Minh hoạ phương pháp Lyapunov với việc khảo sát tí nh ổn định T ln hướng xa điểm gốc Do véc tơ gradV là véc tơ tiếp tuyến quỹ đạo pha hệ) lập với góc   900 thìquỹ đạo pha ln có hướng gốc toạ độ Điều tương đương với: dV   gradV dt  T dx  dt V d x V  f ( x )  L f V   x dt x Gọi sai số đối tượng vàmơ hình là: e = ym – y Bài tốn đặt làcần tìm hàm Lyapunov cấu thích nghi để sai số tiến đến Xét hệ bậc môtả phương trình: dy   ay  bu dt Giả thiết mơhình mẫu mơtả bởi: dy m dt  a m ym  bm u c với am > Tín hiệu điều khiển: u = K1uc - K2y Với K1, K2 làcác tham số điều chỉnh Sai số: e = ym – y Đạo hàm phương trình sai số ta có: de dt   a m e   a m  bK  a  y   b m  bK u c Cần phải cho sai số tiến đến tham số tiến dần đến giátrị: K1  K1  HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH bm b ; K  K  am  a b 57 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ta tìm cách xây dựng cấu điều chỉnh thông số để điều chỉnh tham số K1 vàK2 tới giátrị mong muốn Muốn với giả thiết b > vàcócác hàm bậc sau: V e , K , K ,     a m  bK e    b  a  2 b b m  bK     Hàm sai số e = Vàtham số điều chỉnh giátrị đặt Để hàm coi hàm Lyapunov đạo hàm dV phải âm dt  de  e   a m  bK dt   dt dV  a me    bK 2  a dK dt  dK  a  a m   dt   b m  bK    dt  dK    ye     bK   1  dK  b m   dt   u ce   Nếu tham số códạng: dK dt  u ce ; dK ( - tốc độ hội tụ) ta nhận được:    ye dV dt dt  a me Từ định lý Liapunov, cho kết sai số tiến dần đến Sơ đồ cấu trúc hệ biểu diễn hì nh 4.9 ym Gm(s) uc u +  y G(s) e + - - K1   K2 s   s   Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa lýthuyết Liapunov HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 58 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Kết mơphỏng cho vídụ trên: a, b, Hình 4.10: Đáp ứng hệ thống thích nghi kinh điển kiểu Liapunov: hình a, với K=5, T= 0.5s; hì nh b, với K=7, T=0.8s 4.2 Sơ đồ vàkết mơphỏng với phương pháp điều khiển thích nghi 4.2.1 Sơ đồ mơphỏng Từ thuật tốn thiết kế điều khiển thích nghi theo Gradient Liapunov trên, ta xây dựng sơ đồ môphỏng cho đối tượng ổn định áp suất bình bao hình 4.11: Hình 4.11: Sơ đồ mơphỏng theo phương pháp thí ch nghi Gradient Sơ đồ môphỏng so sánh chất lượng điều khiển điều khiển thích nghi với điều khiển PID HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 59 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.12: Sơ đồ mơphỏng so sánh phương pháp thí ch nghi vàPID 4.2.2 Kết mơphỏng Dap ung ap suat cua bì nh bao hoi 1.6 1.4 Pdat Pth.nghi 1.2 P ( at ) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 50 100 150 200 250 t(s) 300 350 400 450 500 Hình 4.13: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk thích nghi HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 60 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Dap ung ap suat cua bì nh bao hoi 1.8 1.6 1.4 Pdat Pth.nghi Ppid 1.2 P ( at ) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 50 100 150 200 250 t(s) 300 350 400 450 500 Hình 4.14: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk thích nghi vàPID 4.3 Kết luận Từ kết mơphỏng thể hình 4.13 vàhình 4.14 cho thấy điều khiển thích nghi cải thiện chất lượng so với điều khiển PID thể qua tiêu chất lượng độ điều chỉnh vàthời gian độ HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 61 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Từ kết mô thực nghiệm điều khiển PID áp dụng cho hệ thống điều khiển vàổn định áp suất hệ thống mức nước bao cho thấy điều khiển đảm bảo chất lượng giả thiết tham số hệ thống không thay đổi Trong thực tế, tham số hệ thống bị thay đổi chế độ làm việc thay đổi Khi chất lượng hệ dùng điều khiển PID bị thay đổi vàkhi tham số đối tượng thay đổi qmột mức chất lượng hệ khơng cịn đảm bảo Với điều khiển thí ch nghi, qua kết môphỏng cho thấy điều khiển đảm bảo chất lượng hệ tham số đối tượng điều khiển thay đổi, khắc phục tốt nhược điểm nêu điều khiển PID Như vậy, điều khiển thích nghi đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhàmáy nhiệt điện Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn í t, kiến thức vàkinh nghiệm thực tiễn cóhạn, nội dung luận văn số hạn chế Đề nghị tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện đặc biệt phần thực nghiệm điều khiển thích nghi để áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 62 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển nhàmáy nhiệt điện đốt than, Nhàxuất khoa học vàkỹ thuật HàNội 2010 [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển DCS cho nhàmáy nhiệt điện đốt than, Nhàxuất khoa học vàkỹ thuật HàNội 2013 [3] Đỗ Trung Hải (2005), Nghiên cứu lýthuyết điều khiển mờ vàmạng nơron ứng dụng giải quyết toán phi tuyến hệ truyền động điện, Đề tài nghiên cứu khoa học vàcông nghệ cấp bộ, Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên [4] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp điều khiển sở logic mờ vàthích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội [5] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quátrì nh, nhàxuất Bách khoa HàNội, HàNội [6] Nguyễn Cơng Hiền (2006), Giáo trình Mơ hình hố hệ thống mơ phỏng, Đại học Bách khoa HàNội, HàNội [7] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, nhàxuất Khoa học Kỹ thuật, HàNội [8] Nguyễn Dỗn Phước: “Lý thút điều khiển tún tính” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [9] Tăng Văn Mùi (2000), Điều khiển lập trì nh, Nhàxuất thống kê [10] Nguyễn Trọng Thuần (2003), Điều khiển logic ứng dụng, Nhàxuất thống kê [11] Nhàmáy nhiệt điên Cao Ngạn (2005), Tài liệu công nghệ điều khiển áp suất lò [12].Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002) Truyền động điện thông minh Nhàxuất Khoa học vàKỹ thuật [13] Nguyễn Cơng Hiền (2006), Mơ hình hóa hệ thống mô phỏng, Đại học Bách Khoa, Hànội [14] B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996 HV: Bùi Văn Tân CH_K15_KTĐK&TĐH 63 ... dụng vào điều khiển v? ?ổn định áp suất mức nước hệ thống mức nước bao nh? ?máy Nhiệt điện Nội dung nghi? ?n cứu - Tổng quan lị điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nói chung... Th? ?nghi? ??m Trường Đại học Kỹ thuật Công nghi? ??p - Thiết kế điều khiển PID cho hệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nh? ?máy Nhiệt điện - Thiết kế điều khiển thích nghi để. .. điều khiển PID để điều khiển thích nghi ổn định áp suất hệ thống mức nước bao - thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nói chung - Cấu trúc mơphỏng hệ thống Matlab/Simulink