Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển tua bin khí

Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của tuabin khí. Các phương pháp điều khiển tuabin khí. Xây dựng mô hình tuabin khí và các thuật toán điều khiển. Thực hiện mô phỏng trên matlab. Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của tuabin khí. Các phương pháp điều khiển tuabin khí. Xây dựng mô hình tuabin khí và các thuật toán điều khiển. Thực hiện mô phỏng trên matlab. Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của tuabin khí. Các phương pháp điều khiển tuabin khí. Xây dựng mô hình tuabin khí và các thuật toán điều khiển. Thực hiện mô phỏng trên matlab.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU NHÀN NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUA-BIN KHÍ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUY ỄN DOÃN PHƯỚC HÀ NỘI 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU NHÀN NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PH ÁP ĐIỀU KHIỂN TUA-BIN KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI 2008 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Mơc lục Lời nói đầu Nghiªn cøu cÊu tạo nguyên lý làm việc tua-bin khí 19T 9T 19T 19T 9T 19T 19T 19 T 2.1 CÊu t¹o cđa tua-bin khÝ 2.1.1 M¸y nÐn 10 2.1.2 Buång ®èt 11 2.1.3 Tua-bin 12 19T 19 T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 9T 19T 19T 2.2 Nguyªn lý hoạt động 12 19T 19T 19T 19T Mô hình tua-bin phương pháp điều khiển 16 19T 9T 19T 9T 3.1 CÊu tróc khèi cđa tua-bin khÝ 16 19T 19T 19T 3.1.1 3.1.2 19T Về phần đối tượng 16 VÒ phần điều khiển 17 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19 T 19 T 3.2 Nguyên tắc xây xựng mô hình tua-bin 20 19T 19T 19T 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 19T TÇm quan träng cđa viƯc xây dựng mô hình 20 Động học tua-bin khí 21 Các bước xây dựng mô hình 21 Nguyên tắc xây dựng mô hình cho tua-bin khí 23 Những trình tức thời động tua-bin khÝ 27 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19 T 19 T 19T 19T 19 T 3.3 Mô hình hóa phía đối tượng 28 19T 19T 19T 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 19T Mô hình buồng đốt 29 Mô hình tua-bin trình chuyển đổi nhiệt độ 29 Mô hình tua-bin trình chuyển đổi tốc độ 32 Khối động học hệ thống cấp nhiên liệu 33 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19 T 19T 19 T 19 T 3.4 Mô hình hóa phía điều khiÓn 35 19T 19T 19T 3.4.1 3.4.2 3.4.3 19T Vòng điều khiển tốc độ 36 Vßng ®iỊu khiĨn nhiƯt ®é 38 Vòng điều khiển gia tốc 42 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19 T 19 T 19 T Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Thực hành mô điều khiển tua-bin công m« pháng MatLab 48 19T 9T 19T 19T 4.1 4.2 4.3 4.4 Các thông số ®èi t­ỵng ®­ỵc sư dơng 48 Sơ đồ mô tương đương Simulink 49 Các kết mô thu 49 KÕt luËn vµ kiÕn nghị hướng phát triển 59 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 4.4.1 4.4.2 KÕt luËn 59 H­íng ph¸t triĨn 60 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19T 19 T Tài liệu tham khảo 61 19T Bæ sung lý thuyÕt 62 19T 19 T 9T 19T 19 T 5.1 Bé ®iỊu khiĨn PID 62 5.1.1 Khâu khuếch đại (P) 62 5.1.2 Thành phần tích ph©n 63 5.1.3 Thành phần tỷ lệ tích phân 63 5.1.4 Thành phần tỷ lƯ vi ph©n 64 5.1.5 Thành phần tỷ lệ vi tích phân 65 5.2 Bé ®iỊu khiĨn Lead/Lag 67 5.3 Bé ®iỊu khiĨn PID 67 5.3.1 Khâu khuếch đại (P) 67 5.3.2 Thành phần tích ph©n 68 5.3.3 Thành phần tỷ lệ tích phân 69 5.3.4 Thành phần tỷ lƯ vi ph©n 70 5.3.5 Thành phần tỷ lệ vi tích phân 70 19T 19 T 19T 19 T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19T 19 T 19 T 19 T 19 T 19 T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19 T 19T 19T 19T 19 T 19 T 19 T Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Vaờn Toỏt Nghieọp Lời nói đầu Tua-bin khớ laứ moọt thiết bị có nhiệm vụ chủ yếu chuyển hóa lượng nhiên liệu khí nhiên liệu dầu thành quay trục đểø tạo công suất đầu ra, ký hiệu Pe (Power electric), cho máy phát điện (generator) Thiết bị tua-bin khí đóng vai trò đặc biệt quan trọng nhà máy điện có tính định ngành sản xuất điện Trong nước ta, từ năm 1997 đến nhu cầu sử dụng điện ngày tăng Hằng năm có nhiều nhà máy điện xây dựng với công suất ngày tăng, khu vực phía Nam đặt biệt tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Các nhà máy nhiệt điện xây dựng chủ yếu sử dụng tua-bin khí Theo số liệu thống kê đến toàn tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu có khoảng 25 tua-bin khí cung cấp từ nhiều hãng khác (Alston power, Siemens ) với tổng công suất lên đến vài chục ngàn MW Nhưng hiểu biết chung cập nhật vềø phần điều khiển tua-bin khí giới hạn Để có hiểu biết chung điều khiển tua-bin khí, sử dụng tốt thiết bị, bước bước đạt đến khả tự sửa chữa, cải tạo tua-bin khí đòi hỏi phải nắm vững lý thiết, nguyên lý hoạt động, nguyên tắc điều kiển số phần phụ khác Từ yêu cầu này, luận văn với đề tài "Nghiên cứu, tìm hiểu nguyên lý hoạt động phương pháp điều khiển tua-bin khi" với nội dung sau: − Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc tua-bin khí − Nghiên cứu phương pháp điều khiển tua-bin khí − Xây dựng mô hình tua-bin khí thuật toán điều khiển − Thực mô MatLab để kiểm chứng lại mô hình thuật toán điều khiển Trong luận văn em sử dụng ký hiệu sau: Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội PU Công suất danh định Tua-bin W Hệ số khuếch đại =1/droop (pu MW/ pu speed) X Hằng số thời gian Lead điều tốc (s) Y Hằng số thời gian Lag điều tốc (s) Z Hằng số kiểu điều tốc (1=droop, đẳng thời ) Max Yêu cầu giới hạn (pu) Min Yêu cầu giới hạn (pu) a,b,c Thông sô vị trí van wmin Lưu lượng nhiên liệu τF Hằng số thời gian điều khiển nhiên liệu (s) KF Phản hồi hệ thống nhiên liệu ECR Thời gian trễ phản ứng buồng đốt (s) ETD Trễ khí nóng thoát tua-bin (s) TCD Hằng số thời gian khối lượng thả máy nén (s) TR Nhiệt độ khí nóng thoát tốc độ tua-bin ( F ) TT Tốc độ tích phân điều khiển nhiệt độ ( F ) Tm Hằng số thời gian đo nhiệt C Nhiệt riêng [J/ kgK] h Entanpi riêng m Khối lượng [kg] n Số vòng quay [1/giây] p p suất [Pa] ω Tốc độ lưu lượng khối lượng không thứ nguyên [-] t Thời gian [giây] wf Lưu lượng nguyên liệu M Mô men xoắn [Nm] Q Lưu lượng nhiệt đơn vị thời gian [J/s] T Nhiệt độ [k] Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Luận Văn Tốt Nghiệp Trường ĐHBK Hà Nội R Hằng số khí riêng [J/kgK] U Năng lượng bên [J] V Thể tích [m ] η Hiệu suất [-] pT Công suất tua bin pe Công suất máy phát IGV Luận Văn Tốt Nghiệp Cánh hướng không khí vào Luận văn hoàn thành với giúp đỡ nhiệt tình chuyên môn thầy PGS.TS Nguyễn Doãn Phước thầy cô Bộ môn Điều khiển Tự động, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện gia đình bạn bè Em xin gửi tới thầy cô, gia đình, bạn bè lời cám ơn chân thành Hệ thống điều khiển tua-bin lónh vực Việt Nam, cố gắng tránh khỏi thiếu sót qúa trình tìm hiểu Em mong nhận góp ý bổ sung thầy cô giáo Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Nghiªn cøu cấu tạo nguyên lý làm việc tua-bin khí 2.1 CÊu t¹o cđa tua-bin khÝ Xây dựng mô hình cho động tua-bin khí chủ đề quan trọng từ ngày sớm, nói từ đời động phản lực Sự phát triển tua-bin khí bắt đầu Anh Đức Một nhóm người Anh đứng đầu Frank Whittle chế tạo nên động phản lực thử nghiệm vào tháng 4-1937 Điều theo đuổi phát triển nhiều thực nghiệm động tua-bin khí cho động máy bay Động tua-bin khí sớm trở thành phổ biến động phản lực dùng cho quân đội thương mại Những tua-bin khí sử dụng rộng rãi phi công nghiệp nhà máy điện nơi mà chúng máy phát điện Tua-bin khí chí tìm thấy áp dụng tàu biển, xe lửa Động tua-bin khí hệ thống phức tạp bao gồm số hệ thống phụ Vì làm mô hình toán học cho chúng thiết kế điều khiển để môø Matlab động tua-bin khí cần thiết Những phương trình nhiệt động học tuyến tính hóa dựa nguyên tắc ứng dụng khoa học, sử dụng phương trình đại số cho trình nhiệt động học phương trình vi phân để xây dựng mô hình chất động học hệ thống Các phương trình xuất phát từ mô tả tính tónh tính động tua-bin khí điểm làm việc khác Từ định luật vật lý nguyên tắc chủ đạo hệ thống phụ dùng để xác định phương trình hệ thống, từ mô hình thuật toán đưa Những mô hình kết hợp chặt chẽ kiến thức với mục đích để làm thiết bị khác tác động đáp ứng đến đầu vào có tác dụng đến thiết bị Mô hình toán học thường chia làm hai loại cụ thể là: Hàm truyền đạt (điều khiển lớp), hệ thống tuyến tính mô hình trạng thái (điều khiển đa biến) Tiêu biểu, phát triển Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp hệ thống điều khiển động đòi hỏi xây dựng mô hình thuật toán, phép lấy đạo hàm mô hình mô động cơ, giảm cấp mô hình, thiết kế điều khiển, xác minh mô xác minh thực nghiệm Lúc nhiệm vụ cuối phức tạp Những kết qủa xác phụ thuộc phần lớn vào tương thích qui trình xây dựng mô hình Việc xây dựng mô hình cho tua-bin khí tiếp cận kỹ thuật tuyến tính phi tuyến Một mô hình tuyến tính hóa chuẩn dùng gần giống hệ thống phi tuyến gần điểm cân tuyến tính hóa Đôi mô hình tuyến tính có gần đến hệ thống phi tuyến, chúng thuận tiện để phân tích cho thấu hiểu đáng kể vào tác động hệ thống phi tuyến gần điểm cân Ngoài mô phi tuyến mà kết hợp động học phi tuyến động sử dụng để phát triển mô hình thuật toán điểm làm việc khác sử dụng mã phát ma trận tuyến tính kết hợp với mã mô phi tuyến Tại điểm khác dãy làm việc đường bao mô hình thuật toán tuyến tính đạt sử dụng kỹ thuật mô Sự chọn lựa mô hình tuyến tính thực sau Các nhu cầu mô hình động bao gồm giai đoạn phát triển tuổi thọ hoạt động tua-bin khí Trong giai đoạn phát triển, mô hình cung cấp thấu hiểu bên vào tác động động cơ, vật lý cho phép tất chi tiết hệ thống điều khiển vạch rõ Từ mô hình hoàn thiện cần phát triển, mà kết hợp chặt chẽ tất hiệu qủa thứ yếu bắt gặp hệ thống động phát triển mô hình đơn giản hóa động lực học tua-bin khí cho mục đích điều khiển Những điều xác định đặc điểm đặc tính đáp ứng động Sử dụng mô tua bin khí dùng để dự đoán hiệu suất động việc sử dụng mô hình thuật toán phát triển Hiệu suất mô hình động bị thay đổi sử dụng liệu thực thu thập từ tua-bin khí, sau mà tham số mô hình cập nhập Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Những tham số mô hình động phân tích thay đổi giả định đặc tính động Hiệu suất động tua bin khí đánh giá nhận thấy đầu đáp ứng biến trạng thái đến thay đổi biến đầu vào biến nhiễu Tốc độ đáp ứng tua-bin khí đến điều chỉnh thay đổi tải tới hạn Tốc độ đáp ứng tốt yêu cầu cho lý tác động hiệu qủa an toàn Tại thời điểm tốc độ vượt qúa trục, máy nén dao động lớn nên tránh Đáp ứng động nhanh yêu cầu cho tất tua-bin khí Có dãy rộng yêu cầu điều chỉnh khác mà xử lý động định sẵn hệ thống điều khiển phụ thuộc phần quy trình tải nhu cầu hoạt động Thiết kế hệ thống điều khiển động với nhu cầu khác làm dễ dàng sử dụng mô hình dựa vào mô Những mô hình động giai đoạn vận hành thường sử dụng cho chức điều chỉnh huấn luyện điều khiển Ngoài dùng cho điều kiện kiểm tra chuẩn đoán lỗi Hình 2.1 mô tả cấu trúc tua-bin điển hình Một tua-bin khí gồm có thành phần sau: − Máy nén − Buồng đốt − Tua-bin Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 Trường ĐHBK Hà Nội Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp Hình 4.15: Tín hiệu điều khiển tốc độ, nhiệt độ gia tốc Hình 4.16: Tín hiệu mở van cấp nhiên liệu cho buồng đốt Độ mở van giảm gia tốc vượt ngưỡng gía trÞ tham chiÕu Do đặc thù chung tua-bin khí, nhà sản xuất sử dụng vật liệu chịu nhiệt cao, nên tua-bin làm việc vùng nhiệt độ cao Tuy Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 58 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp nhiên kết mô thực với nhiệt độ đặt chuẩn 950 0F P P Khi moment đặt tăng, nhiệt độ phải tăng để tạo công lớn kéo theo tăng công suất tua-bin Song nhiệt độ tăng vượt ngưỡng giá trị tham chiếu 950 0F vòng điều khiển nhiệt độ kích hoạt Lúc độ mở van nhiên P P liệu giảm tạm thời để nhiệt độ giảm theo Cho tới nhiệt độ xuống giá trị tham chiếu, vòng điều khiển vận tốc gia tốc lại làm tăng độ mở van cấp nhiên liệu để tăng moment Trong chế độ làm việc bình thường, nhiệt độ thay đổi chậm so với gia tốc Hình 4.17 kết mô minh họa hieọn tửụùng naứy Hình 4.17: So sánh tốc độ tín hiệu điều chỉnh nhiệt độ gia tốc 4.4 Kết luận kiến nghị hướng phát triển 4.4.1 Kết ln Luận văn em thực công việc sau: − Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc tua-bin khí − Nghiên cứu phương pháp điều khiển tua-bin khí Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 59 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp − Xây dựng mô hình tua-bin khí thuật toán điều khiển − Thực mô MatLab để kiểm chứng lại mô hình thuật toán điều khiển Trong sơ đồ mô mục trên, tín hiệu thu từ tốc độ, nhiệt độ đến tín hiệu điều khiển tín hiệu điều tốc, gia tốc, nhiệt độ đưa mục đích thiết kế Từ lúc tốc độ tăng đến gia tốc tăng tốc độ giảm tín hiệu tương ứng biễu đồ miêu tả mục rõ Hình 4.17 tín hiệu điều khiển nhiệt độ chọn điều khiển van sau tín hiệu điều khiển gia tốc điều với thực tế giới giạn nhiệt độ cho phép luôn cao tín hiệu nhiệt độ điều khiển Sau trình thực tập, nghiên cứu thực đồ án, em thu số kết quả: − Nắm bắt cấu tạo, nguyên lý làm việc, chu trình nhiệt động học tua-bin khí − Hiểu rõ nguyên tắc điều khiển tua-bin khí thông thường − Xây dựng mô hình điều khiển hoàn chỉnh − Đề xuất phương thức hiệu chỉnh vòng điều khiển điều khiển nhiệt độ gia tốc 4.4.2 H­íng ph¸t triĨn − Nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cách đầy đủ bao gồm thành phần máy nén khí, cánh hướng không khí vào (IGV) thành phần phụ khác − Tìm hiểu mô phương án điều khiển cánh hướng gió − Cải thiện phương pháp điều khiển van kết hợp chung với điều khiển nhiệt độ Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 60 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Tµi liƯu tham kh¶o [1] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính (in lần thứ 3) Nhà xuất KH&KT, 2007 [2] Nguyễn Văn Hòa: Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất KH&KT, 2005 [3] Harold Roxbee and M.I.MECH.E.: Gas Turbine Principles and Practice [4] Xiaoli Hao, Guoqiangzhang, Youming Chen and Jin Zhou: Thermodynamics Model and Numerical Simulation of Single-Shaft Microturbine Performancs [5] L.M Hajagos, G.R Beùrubeù: Utility Experience with Gas Turbine Testing and Modeling [6] J.L Aguero, M.C Beroqui and H.Di Pasquo.: Gas Turbine Control [7] Lauren Tsai: Design And Performance of a Gas Turbine Engine from an Automobile Turbocharger [8] Meherwan P Boyce: Gas Turbine Engineering Handbook [9] Doug woodyard: Marine Diesel Engines and Gas Turbine [10] Elements of Gas Turbine Propulsion Jack D Mattingly [11] G.R Beùrubeù, L.M Hajagos: Testing and Modelling of Generator Control on the Ontario Hydro System [12] Rowen, W.I.: Simplified mathematiacal representations of heavy-Duty Gas Turbine, Journal of engineering for power [13] Modelling based on field tests of turbine/governor systems G.R Bérube Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 61 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Bỉ sung lý thut Phần bổ sung thêm ý nghóa làm sáng tỏ thêm nội dung kết đạt luận văn Nó có ý nghóa đơn giản làm cho kích thước luận văn đạt yêu cầu bắt buộc số trang phải 70 trang 5.1 Bé ®iỊu khiĨn PID Trong điều chỉnh tự động công nghiệp thường sử dụng điều chỉnh chuẩn tỉ lệ, tích phân, tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân, tỉ lệ vi tích phân Trong phần phân tích chất lượng hệ thống điều chỉnh tự động sử duùng caực boọ ủieu khieồn naứy 5.1.1 Khâu khuếch đại (P) Trong P viết tắc thành phần khuếch đại Tín hiệu điều khiển hình thành theo công thức u (t ) = K P e(t ) Trong K P hệ số khuếch đại điều khiển P Theo tích khâu khuếch đại ta thấy tín hiệu trùng pha với tín hiệu vào Điều nói lên tính ưu điểm khâu tỉ lệ tốc độ tác động nhanh Vì công nghiệp điều khiển P làm việc ổn định với tất đối tượng Tuy nhiên điều khiển P có nhược điểm sử dụng với đối tượng tónh hệ thống điều chỉnh luôn tồn sai lệch tónh sử dụng hệ thống điều chỉnh Để giảm giá trị sai lệch tónh phải tăng hệ số khuếch đại, tăng hệ số khuếch đại tính dao động hệ thống tăng lên đưa hệ thống đến ổn định Trong công nghiệp điều khiển P thường sử dụng cho quy trình công nghệ cho phép có sai lệch dư Để giảm sai lệch dư điều khiển tỉ lệ thường hình thành theo biểu thức Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 62 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp u (t ) = u0 + K P e(t ) Trong u điểm làm việc hệ thống Tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị xuaỏt hieọn tớn hieọu sai leọch 5.1.2 Thành phần tÝch ph©n Trong tích phân tín hiệu điều khiển xác định theo biểu thức u (t ) = K ∫ e(t )dt = Trong TI = TI ∫ e(t )dt gọi thời gian tích phân Từ công thức ta thấy K giá trị điều khiển u (t ) đạt giá trị xác lập e(t ) = Như ưu điểm quy luật tích phân triệt tiêu sai lệch dư Xét đặc tính khâu tích phân, tín hiệu luôn chậm pha so với tín hiệu vào góc π Điều muốn nói tới tác động chậm điều khiển tích phân Do tác động chậm mà công nghiệp hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng tích phân ổn định Vì qui luật sử dụng công nghieọp 5.1.3 Thành phần tỷ lệ tích phân ẹeồ vửứa tác động nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch dư người ta kết hợp điều khiển tỉ lệ với điều khiển tích phân để tạo điều khiển tỉ lệ tích phân Tín hiệu điều khiển xác định theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K ∫ e(t )dt = K m (e(t ) + Trong K m = K P TI = K1 / K e(t )dt ) TI ∫ hệ số khuếch đại số thời gian tích phân Hàm truyền đạt điều khiển có dạng: Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 63 Trường ĐHBK Hà Nội w( s ) = K m (1 + Luận Văn Tốt Nghiệp ) TI s Hàm truyền đạt tần số điều khiển PI ) TI ω w( jω ) = K m (1 − j Đăïc tính pha tần soá (PT) ϕ (ω ) = −arctgK m TI ω Như ω = o ϕ (ω ) = − π coøn ω = ∞ ϕ (ω ) = Tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào góc khoảng từ − π đến phụ thuộc vào tham số K m , TI tần số tín hiệu vào Rõ ràng tốc độ tác động điều khiển PI chập quy luật tỉ lệ nhanh quy luật tích phân Trong thực tế điều khiển PI sử dụng rộng rãi vá đáp ứng chất lượng hầu hết quy trình công nghệ Đặc biệt môi trường điều khiển nhiệt độ Tuy nhiên có thành phần tích phân nên tốc độ tác động quy luật PI bị chậm đi, đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ xác điều chỉnh cao qui luật PI không đáp ứng kũp 5.1.4 Thành phần tỷ lệ vi phân Taực ủoọng điều khiển PD hình thành theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K de(t ) dt Có thêm thành phần vi phân làm tăng nhanh tốc độ tác động Hàm truyền tần số có dạng: w( jω ) = K1e(t ) + K jω = K m (1 + TD jω ) Với TD số thời gian vi phân Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 64 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Đặc tính PT ϕ (ω ) = arctgTD ω Như ω thay đổi từ đến ∞ đăïc tính PT thay đổi từ đến π Ta khẳng định tốc độ tác động điều khiển PD nhanh quy luật tỉ lệ Tuy nhiên có thêm thành phần vi phân phản ứng với nhiễu cao tần có biên độ nhỏ điều không mong muốn Đồng thời quy luật PD không làm giảm sai lệch dư Vì công nghiệp quy luật PD sử dụng đâu đòi hỏi tốc độ tác động nhanh điều khiển tay máy 5.1.5 Thµnh phần tỷ lệ vi tích phân ẹeồ taờng toỏc ủoọ tác động quy luật PI, thành phần người ta ghép thêm thành phần vi phân nhận quy luật tỉ lệ vi tích phân Người ta thường nói PID tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác - Phục tùng thực xác nhiệm vụ giao (tỉ lệ) - Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực tốt nhiệm vụ (tích phân) - Luôn có sáng kiến phản ứng nhanh nhạy với thay đổi tình huấn trình thực nhiệm vụ (vi phân) Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 65 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ điều chỉnh PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Lý PID sử dụng rộng rãi tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t ) hệ thống cho qúa trình qúa độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: - Nếu sai lệch e(t ) lớn thông qua thành phần u P (t ) , tín hiệu điều chỉnh u (t ) (vai trò khuếch đại K P ) - Nếu sai lệch e(t ) chưa thông qua thành phần u I (t ) , PID tạo tín hiệu điều chỉnh ( vai trò tích phân TI ) - Nếu thay đổi sai lệch e(t ) lớn thông qua thành phần u D (t ) , phản ứng thích hợp u (t ) nhanh (vai trò vi phân TD ) Bộ điều khiển PID hình thành theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K ∫ e(t ) dt + K Trong K m = K P de(t ) = K m (e(t ) + TI dt ∫ e(t )dt + T D de(t ) dt hệ số khuếch đại TI = K1 / K số thời gian tích phân TD = K / K1 số thời gian vi phân Hàm truyền đạt PID: w( s ) = K m (1 + + TD s ) TI s Hàm truyền tần số: w( jω ) = K m (1 + j (TD ω − ) TI ω Đặc tính PT TI TDω − ϕ (ω ) = arctgK m TI ω Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 66 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp Như ω = o ϕ (ω ) = − ω = ∞ ϕ (ω ) = π π coøn ω = / TI TD ϕ (ω ) = Rõ ràng góc lệch pha tín hiệu so với tín hiệu vào nằm khoảng từ − π đến π phụ thuộc vào tham số K m , TI , TD tần số tín hiệu vào Nghóa tốc độ tác động điều khiển PID nhanh quy luật tỉ lệ Nói tóm lại điều khiển PID hoàn hảo Nó đáp ứng yêu cầu chất lượng hầu hết quy trình công nghệ 5.2 Bé ®iỊu khiĨn Lead/Lag Bộ điều khiển Lead/Lag khâu động học với hàm truyền đạt + Tt s ) + Tm s G (s) = K ( Trong đó: Nếu có Tt < Tm nói gọi khâu Lag (cắt bớt) Ngược lại, có Tt > Tm gọi khâu lead (dẫn qua) Lý cho cách gọi tên với Tt < Tm không ưu tiên thành phần tín hiệu có tần số cao qua Cũng có Tt > Tm ưu tiên tín hiệu có tần số cao 5.3 Bé ®iỊu khiĨn PID Trong điều chỉnh tự động công nghiệp thường sử dụng điều chỉnh chuẩn tỉ lệ, tích phân, tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân, tỉ lệ vi tích phân Trong phần phân tích chất lượng hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng boọ ủieu khieồn naứy 5.3.1 Khâu khuếch đại (P) Trong P viết tắc thành phần khuếch đại Tín hiệu điều khiển hình thành theo công thức Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 67 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp u (t ) = K P e(t ) Trong K P hệ số khuếch đại điều khiển P Theo tích khâu khuếch đại ta thấy tín hiệu trùng pha với tín hiệu vào Điều nói lên tính ưu điểm khâu tỉ lệ tốc độ tác động nhanh Vì công nghiệp điều khiển P làm việc ổn định với tất đối tượng Tuy nhiên điều khiển P có nhược điểm sử dụng với đối tượng tónh hệ thống điều chỉnh luôn tồn sai lệch tónh sử dụng hệ thống điều chỉnh Để giảm giá trị sai lệch tónh phải tăng hệ số khuếch đại, tăng hệ số khuếch đại tính dao động hệ thống tăng lên đưa hệ thống đến ổn định Trong công nghiệp điều khiển P thường sử dụng cho quy trình công nghệ cho phép có sai lệch dư Để giảm sai lệch dư điều khiển tỉ lệ thường hình thành theo biểu thức u (t ) = u0 + K P e(t ) Trong u điểm làm việc hệ thống Tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị xuất hieọn tớn hieọu sai leọch 5.3.2 Thành phần tích phân Trong tích phân tín hiệu điều khiển xác định theo biểu thức u (t ) = K ∫ e(t )dt = Trong TI = TI ∫ e(t )dt gọi thời gian tích phân Từ công thức ta thấy K giá trị điều khiển u (t ) đạt giá trị xác lập e(t ) = Như ưu điểm quy luật tích phân triệt tiêu sai lệch dư Xét đặc tính khâu tích phân, tín hiệu luôn chậm pha so với tín hiệu vào góc π Điều muốn nói tới tác động chậm điều khiển tích phân Do tác động chậm mà công nghiệp hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng tích Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 68 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp phân ổn định Vì qui luật sử dụng công nghiệp 5.3.3 Thµnh phần tỷ lệ tích phân ẹeồ vửứa taực ủoọng nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch dư người ta kết hợp điều khiển tỉ lệ với điều khiển tích phân để tạo điều khiển tỉ lệ tích phân Tín hiệu điều khiển xác định theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K ∫ e(t )dt = K m (e(t ) + Trong ñoù K m = K P TI = K1 / K e(t )dt ) TI ∫ hệ số khuếch đại số thời gian tích phân Hàm truyền đạt điều khiển có dạng: w( s ) = K m (1 + ) TI s Hàm truyền đạt tần số điều khiển PI w( jω ) = K m (1 − j ) TI ω Đăïc tính pha tần số (PT) ϕ (ω ) = −arctgK m TI ω Nhö ω = o ϕ (ω ) = − π ω = ∞ ϕ (ω ) = Tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào góc khoảng từ − π đến phụ thuộc vào tham số K m , TI tần số tín hiệu vào Rõ ràng tốc độ tác động điều khiển PI chập quy luật tỉ lệ nhanh quy luật tích phân Trong thực tế điều khiển PI sử dụng rộng rãi vá đáp ứng chất lượng hầu hết quy trình công nghệ Đặc biệt môi trường Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 69 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp điều khiển nhiệt độ Tuy nhiên có thành phần tích phân nên tốc độ tác động quy luật PI bị chậm đi, đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ xác điều chỉnh cao qui luật PI không đáp ứng kịp 5.3.4 Thµnh phần tỷ lệ vi phân Taực ủoọng baống boọ ủieu khiển PD hình thành theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K de(t ) dt Có thêm thành phần vi phân làm tăng nhanh tốc độ tác động Hàm truyền tần số có daïng: w( jω ) = K1e(t ) + K jω = K m (1 + TD jω ) Với TD số thời gian vi phân Đặc tính PT ϕ (ω ) = arctgTD ω Như ω thay đổi từ đến ∞ đăïc tính PT thay đổi từ đến π Ta khẳng định tốc độ tác động điều khiển PD nhanh quy luật tỉ lệ Tuy nhiên có thêm thành phần vi phân phản ứng với nhiễu cao tần có biên độ nhỏ điều không mong muốn Đồng thời quy luật PD không làm giảm sai lệch dư Vì công nghiệp quy luật PD sử dụng đâu đòi hỏi tốc độ tác động nhanh nhử ủieu khieồn tay maựy 5.3.5 Thành phần tỷ lƯ vi tÝch ph©n Để tăng tốc độ tác động quy luật PI, thành phần người ta ghép thêm thành phần vi phân nhận quy luật tỉ lệ vi tích phân Người ta thường nói PID tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 70 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp - Phục tùng thực xác nhiệm vụ giao (tỉ lệ) - Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực tốt nhiệm vụ (tích phân) - Luôn có sáng kiến phản ứng nhanh nhạy với thay đổi tình huấn trình thực nhiệm vụ (vi phân) Bộ điều chỉnh PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Lý PID sử dụng rộng rãi tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t ) hệ thống cho qúa trình qúa độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: - Nếu sai lệch e(t ) lớn thông qua thành phần u P (t ) , tín hiệu điều chỉnh u (t ) (vai trò khuếch đại K P ) - Nếu sai lệch e(t ) chưa thông qua thành phần u I (t ) , PID tạo tín hiệu điều chỉnh ( vai trò tích phân TI ) - Nếu thay đổi sai lệch e(t ) lớn thông qua thành phần u D (t ) , phản ứng thích hợp u (t ) nhanh (vai trò vi phân TD ) Bộ điều khiển PID hình thành theo công thức: u (t ) = K1e(t ) + K ∫ e(t ) dt + K Trong K m = K P de(t ) = K m (e(t ) + TI dt ∫ e(t )dt + T D de(t ) dt laø hệ số khuếch đại Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 71 Trường ĐHBK Hà Nội Luận Văn Tốt Nghiệp TI = K1 / K số thời gian tích phân TD = K / K1 số thời gian vi phân Hàm truyền đạt PID: w( s ) = K m (1 + + TD s ) TI s Hàm truyền tần số: w( jω ) = K m (1 + j (TD ω − ) TI ω Đặc tính PT ϕ (ω ) = arctgK m TI TDω − TI ω Như ω = o ϕ (ω ) = − ω = ∞ ϕ (ω ) = π π ω = / TI TD ϕ (ω ) = Rõ ràng góc lệch pha tín hiệu so với tín hiệu vào nằm khoảng từ − π đến π phụ thuộc vào tham số K m , TI , TD tần số tín hiệu vào Nghóa tốc độ tác động điều khiển PID nhanh quy luật tỉ lệ Nói tóm lại điều khiển PID hoàn hảo Nó đáp ứng yêu cầu chất lượng hầu hết quy trình công nghệ Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007 72 ... pháp điều khiển tua- bin khi" với nội dung sau: − Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc tua- bin khí − Nghiên cứu phương pháp điều khiển tua- bin khí − Xây dựng mô hình tua- bin khí thuật toán điều khiển. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU NHÀN NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PH ÁP ĐIỀU KHIỂN TUA- BIN KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG... tạo tua- bin khí đòi hỏi phải nắm vững lý thiết, nguyên lý hoạt động, nguyên tắc điều kiển số phần phụ khác Từ yêu cầu này, luận văn với đề tài "Nghiên cứu, tìm hiểu nguyên lý hoạt động phương pháp