Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Thu Diệp Vũ Thu Diệp NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ SỐ TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ DAO ĐỘNG MỀM SỐ DAO ĐỘNG MỀM Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 62520115 Mã số: 62520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh Hà Nội – 2016 Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận án Nguyễn Văn Mạnh Vũ Thu Diệp -i- LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc dẫn tận tình, chia sẻ động viên chân thành thầy giáo hướng dẫn PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh suốt trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến bước thực cụ thể đề tài nghiên cứu Tôi xin cảm ơn thầy cô đồng nghiệp Viện KH&CN Nhiệt – Lạnh có góp ý quý báu nội dung nghiên cứu vấn đề liên quan đến chuyên môn ngành nhiệt tạo điều kiện cho suốt trình thực luận án Tơi xin cảm ơn tới thầy, anh em đồng nghiệp Bộ mơn Tự động hóa & Điều khiển q trình Nhiệt – Lạnh có góp ý chun mơn sâu giúp tơi nhiều q trình nghiên cứu Sau cùng, tơi dành lời chân tình gửi đến gia đình tơi: bố mẹ, anh chị em, hai cô gái nhỏ đặc biệt chồng tôi, người sát cánh bên tôi, giúp đỡ trình nghiên cứu thực nghiệm luận án Sự động viên, chia sẻ giúp đỡ gia đình động lực mạnh mẽ giúp vượt qua khó khăn để hồn thành luận án - ii - MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm ý nghĩa hệ thống điều khiển tầng 1.2 Hệ thống điều khiển trình nhiệt nhiều tầng 1.2.1 Hệ thống điều khiển mức nước bao 1.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt 11 1.2.3 Hệ thống điều khiển cấp khơng khí 15 1.3 Đặc tính mơ hình đối tượng q trình nhiệt 18 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng 21 1.4.1 Dự trữ ổn định hệ thống điều khiển tầng 21 1.4.1.1 Dự trữ ổn định pha biên độ theo đường cong Nyquist 22 1.4.1.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định hệ thống theo số dao động mềm tương ứng với miền đảm bảo số dao động mềm 23 1.4.1.3 Dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol 23 1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển tầng 24 1.4.2.1 Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc điều khiển dạng PID sau chọn tham số 24 1.4.2.2 Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mơ hình nội (IMC) 27 1.4.2.3 Cách tiếp cận dựa điều kiện ổn định bền vững áp đặt cho tất vòng 29 1.4.2.4 Một số cách tiếp cận khác 30 - iii - 1.5 Kết luận 33 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HỆ TẦNG 34 2.1 Nền tảng lý thuyết 34 2.1.1 Chỉ số dao động dự trữ ổn định hệ thống 34 2.1.2 Chỉ số dao động mềm, đường biên mềm đặc tính mềm 37 2.1.3 Tính chất ý nghĩa số dao động mềm 39 2.1.3.1 Tính chất số dao động mềm 39 2.1.3.2 Ý nghĩa số dao động mềm 39 2.1.4 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm 41 2.1.5 Ổn định dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol 45 2.1.5.1 Tiêu chuẩn ổn định Parabol 45 2.1.5.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định Parabol theo số dao động mềm 47 2.1.5.3 Điều kiện đủ tiêu chuẩn Parabol 49 2.2 Áp dụng số dao động mềm để nghiên cứu hệ tầng 50 2.2.1 Cấu trúc vòng tương đương hệ tầng hàm truyền hở hệ thống 50 2.2.2 Đặc tính mềm hệ tầng khả đánh giá dự trữ ổn định 52 2.2.2.1 Đặc tính mềm hệ tầng 52 2.2.2.2 Sự hội tụ đặc tính mềm khả đánh giá dự trữ ổn định hệ tầng 54 2.2.3 Phương pháp xác định nghiệm đặc tính hệ tầng 56 2.3 Đánh giá dự trữ ổn định hệ thống điều khiển trình nhiệt 57 2.3.1 Đánh giá dự trữ ổn định hệ thống điều khiển mức nước bao lị cơng suất 300MW cơng ty cổ phần nhiệt điện ng Bí mở rộng 58 2.3.1.1 Trường hợp 1: số dao động mềm công thức (2.18) với α =34,671 m0 = 0,772 59 - iv - 2.3.1.2 Trường hợp 2: số dao động mềm công thức (2.18) với α =34,671 m0 = 1,5 61 2.3.2 Đánh giá dự trữ ổn định hệ thống điều khiển nhiệt độ q nhiệt lị cơng suất 300MW cơng ty cổ phần nhiệt điện ng Bí mở rộng 63 2.3.2.1 Trường hợp 1: số dao động mềm công thức (2.18) với α =0,8826 m0 = 0,772 65 2.3.2.2 Trường hợp 2: số dao động mềm công thức (2.18) với α =0,8826 m0 = 0,1 67 2.4 Kết luận 70 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦNG DỰA TRÊN CHỈ SỐ DAO ĐỘNG MỀM 71 3.1 Nền tảng lý thuyết 71 3.1.1 Bài toán tổng hợp bền vững tối ưu 71 3.1.2 Hệ thống bền vững 71 3.1.3 Hệ thống bền vững chất lượng cao 72 3.2 Phương pháp tổng hợp bền vững hệ điều khiển tầng 74 3.3 Thực thi điều khiển bền vững 78 3.4 Phương pháp xác định hệ số điều khiển theo số dao động mềm 81 3.5 Chỉnh định lại hệ số khuếch đại điều khiển 86 3.6 Các bước thực chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng 87 3.6.1 Trình tự tính tốn điều khiển bền vững hệ tầng 87 3.6.2 Trình tự tính tốn điều khiển bền vững dạng PID (bộ PID bền vững) hệ tầng 87 3.6.3 Trường hợp hệ hai tầng 88 3.6.4 Xét trường hợp cụ thể với hệ thống điều khiển trình nhiệt 91 3.6.4.1 Hệ thống điều khiển sử dụng tài liệu [30] [35] 91 -v- 3.6.4.2 Chỉnh định điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển mức nước bao lò công suất 300MW công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở rộng I 101 3.6.4.3 Chỉnh định điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt lị cơng suất 300MW cơng ty cổ phần nhiệt điện ng Bí mở rộng 105 3.7 Đánh giá so sánh chất lượng hệ thống với điều khiển bền vững 109 3.8 Kết luận 113 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM VÀ MƠ PHỎNG 114 4.1 Hệ thống điều khiển mức nước 114 4.1.1 Hoạt động hệ thống 115 4.1.2 Nguyên lý điều khiển hệ thống 115 4.1.3 Mơ hình tốn học hệ thống 117 4.1.4 Hệ thống thu thập liệu, giám sát điều khiển 118 4.1.5 Phần mềm thu thập liệu, giám sát điều khiển 119 4.2 Tiến hành thí nghiệm nhận dạng đối tượng 121 4.2.1 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng 121 4.2.2 Thu thập số liệu thực nghiệm 121 4.2.3 Xử lý số liệu 123 4.2.4 Mơ hình hóa đối tượng 124 4.3 Chỉnh định hệ thống 126 4.3.1 Chỉnh định hệ thống với điều khiển bền vững 126 4.3.2 Chỉnh định hệ thống với điều khiển PID bền vững 129 4.3.3 Kết thử nghiệm 131 4.4 Kết luận 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - vi - 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 Tài liệu tham khảo tiếng Việt 135 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 135 Tài liệu tham khảo tiếng Nga 141 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 143 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tóm tắt thuật tốn tối ưu hóa vượt khe Phụ lục 2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển mức nước Phụ lục 3: Các công cụ phần cứng, phần mềm sử dụng Phụ lục 4: Các khối mạch điều khiển mạch in - vii - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa R hay R(s) Hàm truyền điều chỉnh hệ thống tầng O hay O(s) Hàm truyền đối tượng hệ thống tầng OPT hay OPT(s) Hàm truyền phần phân thức đối tượng hệ thống tầng H hay H(s) Hàm truyền hệ hở hệ thống tầng W hay W(s) Hàm truyền hệ kín theo kênh đặt hệ thống tầng  Tần số H(jω) Đặc tính tần số thông thường hệ hở H( +j) Đặc tính tần số mở rộng loại II hệ hở j  1 Đơn vị ảo s Biến phức R1 hay R1(s) Bộ điều khiển vịng ngồi (vịng thứ nhất) hệ tầng R2 hay R2(s) Bộ điều khiển vòng thứ hệ tầng V1 hay V1(s) Đối tượng tương đương ứng với điều chỉnh R1 hệ tầng V2 hay V2(s) Đối tượng tương đương ứng với điều chỉnh R1 hệ tầng H1 hay H1(s) Hàm truyền hệ hở ứng với điều chỉnh R1 hệ tầng H2 hay H2(s) Hàm truyền hệ hở ứng với điều chỉnh R2 hệ tầng θi θk Hằng số quán tính hệ hở ứng với điều chỉnh Ri Rk hệ tầng O1 hay O1(s) Hàm truyền đối tượng vịng ngồi (vịng thứ nhất) hệ tầng O2 hay O2(s) Hàm truyền đối tượng vòng thứ hệ tầng O1PT(s) Phần phân thức O1(s) O2PT(s) Phần phân thức O2(s) - viii - V1PT(s) Phần phân thức V1(s) V2PT(s) Phần phân thức V2(s) m0 Chỉ số dao động cứng m hay m(ω) Chỉ số dao động mềm mc Chỉ số dao động mềm tần số cắt (chỉ số dao động cặp nghiệm trội) ωc Tần số cắt T Chu kỳ dao động  Hệ số tắt dần c Hệ số tắt dần tần số cắt (hệ số tắt dần cặp nghiệm trội) sc Nghiệm trội hệ thống α Hệ số mềm hóa τ τi Thời gian trễ đối tượng thời gian trễ đối tượng thứ i hệ tầng MON Đường biên mềm q Số điểm cực thực hệ hở, bậc thành phần tích phân n Bậc mẫu số hàm truyền đối tượng p Số cặp điểm cực phức hệ hở P Trục hoành parabol P = Q2-1 Q Trục tung parabol P = Q2-1 D(s) Đa thức đặc tính hệ kín DH(s) Đa thức đặc tính hệ hở H(m j) Đặc tính mềm hệ hở H(m0 j) Đặc tính cứng hệ hở QTi Tung độ điểm cắt thứ i đặc tính mềm hệ hở Parabol P = Q2-1 - ix - 53 Tao Geng, Jin Zhao (2014), Adaptive Cascade Generalized Predictive Control, International Journal of Intelligence Science, 4, 70-79 54 Tony R Kuphaldt (2010), Lessons In Industrial Instrumentation, Version 1.12 , 9.2010, pp 1860 55 U Mehta, S Majhi (2011), On-line identification of cascade control systems based on half limit cycle data, ISA Trans Vol 50, pp 473–478 56 V M Alfaro, R Vilanova, O Arrieta (2008), Two-Degree-of-Freedom PI/PID Tuning Approach for smooth Control on Cascade Control System, Proceedings of the 47th IEEE Conference on Decision and Control Cancun, Mexico, Dec 9-11 57 V.M Alfaro, R Vilanova, O Arrieta (2009), Robust tuning of twodegree-of-freedom (2-DoF) PI/PID based cascade control systems, J Process Control, Vol 19, pp 1658–1670 58 Visioli A, Piazzi A (2006), An automatic tuning method for cascade control systems, Proceedings of the 2006 IEEE international conference on control applications, pp 2968–73 59 W Altmann (2005), Practical Process Control for Engineers and Technicians, Newnes , 5.2005, pp 16-17 60 Weidong Zhang (2011), Quantitative Process Control Theory, CRC Press, 12.2011, pp.296-298 61 Y Lee, S Park, M Lee (1998), PID controller tuning to obtain desired closed loop responses for cascade control systems, Industrial Engineering and Chemistry Research 37 (5), pp 1859–1865 62 Y Lee, S Oh, S Park (2002), Enhanced control with a general cascade control structure, Industrial and Engineering Chemistry Research, Vol 41, pp 2679–2688 - 140 – 63 YIN Cheng-qiang, HUI Hong-zhong, YUE Ji-guang, GAO Jie, ZHENG Li-ping (2012), Cascade control based on minimum sensitivity in outer loop for processes with time delay, J Cent South Univ, Issue 19, pp 2689−2696 64 www.mathworks.com/help/ident/ug/estimate-process-models-using-theapp.html 65 Ziegler, J.G and Nichols, N B (1942), Optimum settings for automatic controllers, Transactions of the ASME 64 pp 759–768 Tài liệu tham khảo tiếng Nga 66 Мань Н.В (1995), Применение “Оврагоперешагового” метода нелинейной оптимизации для идентификации передаточной функции объектов управления, Теплоэнергетика, № С 71-77 67 Мань Н.В (1996), Расчет робастных систем автоматического регулирования с помощью расширенных комплексных частотных, характеристик, Теплоэнергетика, № 10 С 69-75 Phiên tiếng Anh: N V Manh (1996), Calculation of Robust Automatic Control Systems by Means of Expanded Complex Frequency-Response Characteristics, Thermal Engineering, p 863 http://www.maik.ru/contents/thermeng/thermeng10_96v43cont.htm 68 Мань Н.В (1999), Параболическое правило” анализа устойчивости автоматических систем, Наука & Сотрудничество: Сб Науч Трудов Москва: Творчество, 1999 С 318-327 69 Мань Н.В (2000), Оптимальный синтез робастной каскадной автоматической системы управления, Теплоэнергетика, № С 22-28 Phiên tiếng Anh: N V Man’ p (2000), Optimal Synthesis of a Robust Cascade Automatic Control System, Thermal Engineering, p 145 http://www.maik.ru/contents/thermeng/thermeng9_0v47cont.htm - 141 - 70 Мань Н.В (2000), Робастная настройка многосвязных систем управления по “мягкой” степени колебательности, Теплоэнергетика, № С.48-52 Phiên tiếng Anh: N V Man’ p (2000), Robust Tuning of Multivariable Control Systems in Accordance with a “Soft” Oscillation Index, , Thermal Engineering, p 145 http://www.maik.ru/contents/thermeng/thermeng2_0v47cont.htm 71 Ротач В.Я (1985), Теория автоматического теплоэнергетическими процессами – М.: Энергоатомиздат - 142 – управления DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Vũ Thu Diệp, Nguyễn Văn Mạnh (2013), Phương pháp khảo sát ổn định hệ điều khiển tầng dựa “Chỉ số dao động mềm”, Tạp chí Năng lƣợng nhiệt, 11/2013, số 114, tr 19-24 Nguyễn Văn Mạnh, Vũ Thu Diệp (2014), Phương pháp tổng hợp hệ điều khiển tầng theo quan điểm bền vững cao, Tạp chí Năng lƣợng nhiệt, 03/2014, số 116, tr 23-27 Vũ Thu Diệp, Nguyễn Văn Mạnh (2014), Lựa chọn hệ số  theo số dao động mềm cho trước hệ thống điều khiển tầng, Tạp chí Năng lƣợng nhiệt, 07/2014, số 118, tr 13-17 Nguyễn Văn Mạnh, Vũ Thu Diệp, Phan Duy Hùng (2014), Chỉ số dao động mềm dự trữ ổn định mềm áp dụng nghiên cứu hệ điều khiển tầng, Tuyển tập báo cáo hội nghị Cơ Ďiện tử toàn quốc lần thứ - VCM-2014, 21-22/11/2014, tr 16-21 Nguyễn Văn Mạnh, Vũ Thu Diệp, Phan Duy Hùng (2016), A synthesis method of robust cascade control system, Journal of Automation and Control Engineering (JOACE), Volume 4, No.2, April, 2016 - 143 - PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tóm tắt thuật tốn tối ưu hóa vượt khe Nội dung của lý thuyết qui hoạch phi tuyến, tức lý thuyết phương pháp tối ưu hoá hàm phi tuyến nghiên cứu tính chất hàm mục tiêu xây dựng thuật toán lặp liên tiếp, tiến dần đến nghiệm tối ưu Thuật tốn tối ưu hóa vượt khe xây dựng sở hai khái niệm: hướng thay đổi hàm mục tiêu bước vượt khe Phương trình lặp thuật tốn là: xk+1 = xk + k+1sk Trong đó: k = 0,1 xk, xk+1 điểm đầu cuối bước lặp thứ (k+1) k+1 bước vượt khe sk hướng tìm kiếm khơng gian Ơclít n chiều: En Bước vượt khe đảm bảo điểm đầu điểm cuối bước lặp ln nằm hai phía điểm cực tiểu hàm mục tiêu hướng sk Sơ đồ thuật giải xác định bước vượt khe thể hình 1: Hình Sơ đồ khối xác định bước vượt khe -1- Giả sử có hàm cực tiểu hóa J(x), xEn Tại bước lặp thứ (k+1), ký hiệu hàm biến: h() = J(xk+1) = J(xk + sk) Giả sử  điểm cực tiểu: h( * )  h( )  0 Độ dài bước v chọn: v, a[h(0)-h()] 1, < < 1, A > Bước 1: Cho p1 = 0, p2 = A tăng liên qui tắc: p1 := p2, p2 := βp2 h(p2)  h(p1), đoạn (p1,p2) tiếp tục bước Bước 2: Nếu p2-p1 ≤ εP thoả mãn, tức khơng tìm bước vượt khe với độ xác εP Gán v := p kết thúc, quay chương trình Trái lại, chuyển sang bước Bước 3: Tính p := p1+(p2-p1) Δ = [h(0)-h(p1)], chuyển sang bước Bước 4: Nếu h(p)-h(p1) > bΔ, gán p2 := p; h(p)-h(p1) < aΔ, gán p1 := p; lặp lại từ bước Trường hợp lại, bΔ > h(p)-h(p1) > aΔ v = p bước vượt khe gán A := v trở chương trình Hướng sk xác định cho sau bước lặp, hàm mục tiêu giảm, tức J(xk+1)