Nghiên cứu kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong một số ứng dụng điều khiển quá trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====  ===== NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====  ===== NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG HÀ NỘI – 2012 MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN……………………………………………………….1 1.1 Một số khái niệm….………………………………………………………… 1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển trình….………………………………5 1.2.1 Thiết bị đo……………….……………………………………….……… 1.2.1.1 Cấu trúc bản……………………………………………….……….5 1.2.1.2 Đặc tính vận hành…………………………………………….…… 1.2.2 Thiết bị điều khiển……………………………………………….…… 1.2.3 Thiết bị chấp hành………………………………………………….……10 1.3 Tổng quan xây dựng điều khiển điều khiển trình……………11 1.3.1 Điều khiển truyền thẳng…………………………….….……………… 12 1.3.2 Điều khiển phản hồi…………………………………………………… 12 1.3.3 Điều khiển tỷ lệ………………………………………………………….13 1.3.4 Điều khiển tầng………………………………………………………….13 1.3.5 Điều khiển suy diễn…………………………….……………………….14 1.3.6 Điều khiển lựa chọn…………………………………………………… 14 1.3.7 Điều khiển phân vùng……………………………………………………14 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI……………………………………………………… ……….15 2.1 Điều khiển truyền thẳng………………………………………………………….15 2.1.1 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng lý tưởng………………………… 15 2.1.2 Đặc điểm điều khiển truyền thẳng…………… ……………………17 2.1.2.1 Sai lệch mô hình……………………………………………………17 2.1.2.2 Nhiễu khơng đo được………………………………………………18 2.1.2.3 Tính khả thi điều khiển lý tưởng……………………… …18 2.1.2.4 Tính ổn định điều khiển lý tưởng………………………… 19 2.1.2.5 Đối tượng không ổn định………………………………………… 19 2.1.3 Ứng dụng điều khiển truyền thẳng………………………………… 20 2.2 Điều khiển phản hồi……………………………….…………………………….20 2.2.1 Vai trò điều khiển phản hồi………………………….………………21 2.2.2 Một số nhược điểm điều khiển phản hồi…………………………….22 2.2.3 Các điều khiển phản hồi…………………………………………… 24 2.2.3.1 Bộ điều khiển hai vị trí…………………………………………….25 2.2.3.2 Bộ điều khiển PID…………………………………………………26 2.2.3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P…………………………………………26 2.2.3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI…………………………… 27 2.2.3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân PID………………… 28 2.2.3.3 Bão hịa tích phân………………………….………………………30 2.2.4 Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi…………………………………….31 2.2.4.1 Cấu hình chuẩn…………………………………………………….31 2.2.4.2 Chuẩn hóa mơ hình……………………………………………… 32 2.2.4.3 Các quan hệ bản……………………………………………… 33 2.2.4.4 Tính ổn định hệ điều khiển phản hồi…………………………35 2.2.4.4.1 Tính ổn định………………………………………………….35 2.2.4.4.2 Tính ổn định nội hệ điều khiển phản hồi……………… 38 2.5 Điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng………………………40 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN………….………… 43 3.1 Phân loại nhà máy nhiệt điện…………………………………………………….44 3.1.1 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu rắn……………………………………….44 3.1.2 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu lỏng…………………………………… 44 3.1.3 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu khí……………………………………….44 3.1.4 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu hỗn hợp…………………….……………45 3.2 Sơ đồ, nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện khí……………………… 45 CHƯƠNG 4: KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN KHÍ…………………49 4.1 Kết hợp điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu điều khiển nhiệt độ nhiệt………………………………………………………………………………… 49 4.1.1 Nguyên lý chu trình hơi………………………………………………….49 4.1.2 Các đặc tính kỹ thuật lò hơi………………………………….50 4.1.3 Bộ nhiệt…………………………………………………………… 50 4.1.3.1 Khái niệm………………………………………………… ………50 4.1.3.2 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt…………………………… … 51 4.1.3.2.1 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng hơi………………52 4.1.3.2.2 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng khói…………….53 4.1.4 Nguyên lý, sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……………………………………………….55 4.1.4.1 Sử dụng giảm ôn hay sử dụng hơi…………………………… 55 4.1.4.2 Sử dụng khói……………………………………………………….58 4.2 Kết hợp điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu điều khiển mức nước bình nước cấp…………………………………………………………………………… 60 4.2.1 Nguyên lý, sơ đồ bình nước cấp…………………………………………60 4.2.2 Điều khiển mức nước bình nước cấp…………………………………….61 4.2.3 Sơ đồ, nguyên lý điều khiển mức nước bình nước cấp.…………………61 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH NƯỚC CẤP SỬ DỤNG CƠNG CỤ MATLAB………………………….……………….63 5.1 Mơ hình bình nước cấp………………………………………………………….63 5.2 Thiết kế điều khiển……………………………………… ……………… 64 5.3 Mô q trình…………………………………………………………… 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………77 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc thiết bị đo……………………………………….…… Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị điều khiển……………………………….…… Hình 1.3 Cấu trúc thiết bị chấp hành…………………….………….…….10 Hình 1.4 Cấu trúc van điều khiển………………………………….….… 11 Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng…………………………………… …… 12 Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát điều khiển phản hồi………………………….…… 12 Hình 2.1 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu song song………………….…….…15 Hình 2.2 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu nối tiếp…………………….….……15 Hình 2.3 Cấu hình điều khiển phản hồi thơng dụng…………………………….….…20 Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi……………………….… 24 Hình 2.5 Thuật tốn điều khiển hai vị trí lý tưởng………………………………… 25 Hình 2.6 Thuật tốn điều khiển hai vị trí thực…………………………………… ….25 Hình 2.7 Các dạng biểu diễn điều khiển PID………………………………… ….30 Hình 2.8 Hiện tượng bão hịa tích phân…………………………………………… 30 Hình 2.9 Cấu hình chuẩn điều khiển phản hồi… ……………………………… 31 Hình 2.10 Cấu hình điều khiển phản hồi nhiễu trình tách thành nhiễu đầu vào nhiễu đầu ra……………………………………………………………………… 38 Hình 2.11 Thiết bị gia nhiệt sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng……………………………………………………………………………… 41 Hình 2.12 Cấu hình ứng dụng điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu ra….… … 41 Hình 3.1 Sơ đồ hoạt động nhà máy nhiệt điện khí….………………….… …… 45 Hình 3.2 Chu trình nhiệt động nhà máy nhiệt điện khí….………………… ……47 Hình 4.1 Nguyên lý chu trình hơi…………….………………………………… … 49 Hình 4.2 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 01 nhiễu…………….…….55 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 01 nhiễu…………….…….55 Hình 4.4 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 02 nhiễu………….……….57 Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 02 nhiễu……………….….57 Hình 4.6 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……………………………………58 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………………………………59 Hình 4.8 Cấu tạo bình nước cấp……………………………………………… …….60 Hình 4.9 Sơ đồ điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra…………………………………………………… 62 Hình 5.1 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………………………………………………64 Hình 5.2 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu có sử dụng định vị van………………… 65 Hình 5.3 Khâu tạo nhiễu F2………………………………….………………… ……68 Hình 5.4 Dạng nhiễu F2…………………………………….……………….…….… 69 Hình 5.5 Bộ điều khiển phản hồi PI…….…………………….………………………69 Hình 5.6 Khâu giới hạn tín hiệu F1……….………………………….………….…….69 Hình 5.7 Q trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi…………………………………………………………………………………………70 Hình 5.8 Kết mơ trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi…………………………………………………………….………….70 Hình 5.9 Quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng……………………………………………………….71 Hình 5.10 Kết mơ q trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng………………………………….….72 Hình 5.11 Cấu trúc điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng………………… 72 Hình 5.12 Kết so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng……………………………………………………………………………………….73 Hình 5.13 Bộ điều khiển PI có khâu chống bão hịa tích phân….……………………74 Hình 5.14 Cấu trúc điều khiển mức bình nước cấp có sử dụng khâu bão hịa tích phân……………………………………………………………………………………… 74 Hình 5.15 Kết so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng có sử dụng khâu chống bão hịa tích phân……………………………………………………75 Chương 5: Thiết kế mơ điều khiển mức nước bình nước cấp CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH NƯỚC CẤP SỬ DỤNG CƠNG CỤ MATLAB 5.1 Mơ hình bình nước cấp: Trong phạm vi đồ án này, lưu lượng nước đưa vào bình nước cấp từ bình ngưng, tua bin hạ áp tiết nhiệt trung áp coi lưu lượng nước F2; Lưu lượng nước bổ sung cho bình nước cấp F1; Lưu lượng nước từ bình nước cấp bơm đến lị F0, thơng thường F0 giữ giá trị không đổi xác định nhằm trì cơng suất phát nhà máy Phương trình biểu diễn biến thiên thể tích nước bình nước cấp: dV = F1 + F − F dt (5.1) Bên cạnh đó: V = S h (5.2) Trong đó: V thể tích nước bình nước cấp S diện tích đáy bình nước cấp với giả thiết bình nước cấp có hình trụ, có diện tích đáy khơng đổi h chiều cao cột nước bình nước cấp Từ đó: d ( S h) = F1 + F − F dt (5.3) Do S = const, nên: dh = ( F1 + F − F ) dt S h, F1, F2 giá trị biến đổi theo thời gian t Khơng tính tổng qt, quy định: h(0) = 63 (5.4) Chương 5: Thiết kế mô điều khiển mức nước bình nước cấp Biến đổi miền ảnh Laplace: ( F1(s) + F 2(s) − F 0(s) ) S (5.5) ( F1(s) + F 2(s) − F 0(s) ) Ss (5.6) sh(s) = Hay: h(s) = Hàm truyền đạt: h( s ) GF= ( s) = (5.7) h( s ) G= = F ( s) (5.8) h( s ) G= = F ( s) (5.9) F1( s) F 2( s) F 0( s) Ss Ss Ss 5.2 Thiết kế điều khiển: Hình 5.1 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu Trong đó: r: giá trị đặt mức nước bình nước cấp; u: tín hiệu điều khiển van cấp nước bổ sung cho bình nước cấp; Gv: hàm truyền van cấp nước bổ sung cho bình nước cấp; G1, G2: điều khiển; 64 Chương 5: Thiết kế mô điều khiển mức nước bình nước cấp y: mức nước bình nước cấp Tuy nhiên, thực tế kỹ thuật, van điều khiển thơng thường có độ xác khơng cao nhiều lý dải chết, độ trễ, ma sát thay đổi bụi bẩn, thiếu bôi trơn han gỉ, áp suất lưu chất thay đổi đặc tính phi tuyến cấu chấp hành Sai số độ mở van nhiều trường hợp tới 5% Do vậy, để nâng cao chất lượng điều khiển ta sử dụng hai biện pháp sau: Bổ sung vòng điều khiển lưu lượng thứ cấp sử dụng định vị van Bộ định vị van thực chất điều khiển thứ cấp cấu trúc điều khiển phản hồi Bộ định vị van sử dụng tín hiệu đo vị trí cần van (tức độ mở van thực) so sánh với giá trị đặt từ điều khiển, sở đưa tác động tới cấu chấp hành để điều chỉnh lại độ mở van Thông thường, định vị sử dụng luật tỉ lệ với hệ số khuếch đại tương đối lớn Sử dụng định vị van cho phép cải thiện độ xác, mà cịn tăng tốc độ đáp ứng van Ví dụ, sai số vị trí giảm xuống tới 0,5, dải chết 0,1 - 0,5% số thời gian giảm theo Do trường hợp này, động học trình chậm đáng kể so với van, sử dụng định vị van để van có độ xác cao, tốc độ đáp ứng nhanh Hình 5.2 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu có sử dụng định vị van Trên hình vẽ, G3 định vị van để tăng độ xác tốc độ đáp ứng Khơng tính tổng qt, chọn diện tích đáy bình chứa S = 25 đơn vị diện tích, từ có hàm truyền G = F (s) G= = F (s) G F (s) 65 20s Chương 5: Thiết kế mơ điều khiển mức nước bình nước cấp Mỗi thiết bị đo có mơ hình động học Trong tốn điều khiển mức nước bình nước cấp, ta sử dụng thiết bị đo mức nước bình nước cấp Khi giá trị đại lượng đo thay đổi thay đổi chậm, tín hiệu đo phụ thuộc vào giá trị đầu vào ta cần quan tâm tới đặc tính tĩnh thiết bị đo Tuy nhiên, tín hiệu đầu khơng thể đáp ứng với thay đổi tương đối nhanh đại lượng đo Quan hệ phụ thuộc tín hiệu vào đại lượng đo biến thời gian gọi đặc tính động học thiết bị đo Đặc tính động học hầu hết thiết bị đo mơ tả phương trình vi phân cấp cấp hai Coi đặc tính thiết bị đo tuyến tính, động học biểu diễn khâu qn tính bậc nhất: Gm ( s) = km 1+τ s (5.10) khâu bậc hai ổn định: = Gm (s) kmω0 km ,ζ > = 2 ω0 + 2ζ s + s τ + 2τζ s + s (5.11) Đặc tính động học thiết bị đo có ảnh hưởng nhiều tới chất lượng điều khiển Tuy nhiên, đặc tính động học thiết bị đo lưu lượng nhanh nhiều so với trình cơng nghệ mức nước bình nước cấp, đồ án bỏ qua qn tính thiết bị đo coi đặc tính thiết bị đo khâu khuếch đại túy Khơng tính tổng quát, chọn km = 1, vậy, bỏ qua hàm truyền đạt thiết bị đo mô mà không ảnh hưởng đến tính khả dụng tốn Trong phạm vi đồ án này, coi quan hệ lưu lượng độ mở van coi tuyến tính, phạm vi quan tâm Mô hình động học van điều khiển đưa khâu quán tính bậc nhất: G= v ( s) kv F ( s) = u ( s) τ v s + Khơng tính tổng qt, ta chọn mơ hình động học cho van là: 66 (5.12) Chương 5: Thiết kế mô điều khiển mức nước bình nước cấp Gv (s) = 3s + (5.13) Chọn định vị van G3 ( s) = 100 Trong vịng điều khiển mức, đặc tính động học thiết bị chấp hành nhanh so với q trình có đặc tính tích phân quan trọng phép đo mức thường bị ảnh hưởng nhiễu, vậy, ta sử dụng luật điều khiển PI (thành phần vi phân điều khiển PID nhạy cảm với nhiễu đo khả đáp ứng nhanh): G1 (s) = 6(1 + ) 9s (5.14) Ta cần thiết kế thành phần điều khiển truyền thẳng G2 để hạn chế ảnh hưởng nhiễu F2 tới trình = u G1 (e − G2 F2 ) GG Ftg = (e − G2 F2 )G1 v GF + GF F2 + G3Gv Hay Ftg = eG1 G3Gv GG GF − F2G2G1 v GF + GF F2 + G3Gv 1 + G3Gv (5.16) (5.17) (5.18) Để hạn chế ảnh hưởng nhiễu F2 tới trình, ta cần phải có: F2G2G1 G3Gv G = GF F2 + G3Gv F1 (5.19) Mà GF = GF Do vậy, ta phải có: G1G2 Hay G2 = G3Gv =1 + G G ( v) + G3Gv (5.20) (5.21) G1G3Gv Như ta có: 67 Chương 5: Thiết kế mô điều khiển mức nước bình nước cấp G2 = Hay G2 = 1+ 6(1 + 100 3s + 1 )100 9s 3s + s + 303s 200(9 s + 1) (5.22) (5.23) Do 9