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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN ĐẮC HUYÊN ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT C u nn n t u t ều ển v tự n s T TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đ Nẵng, Năm Ỹ THUẬT C ĐẠI HỌC ĐÀ NẴN : PGS.TS Đo n Qu n V n : TS H u nVn : TS N Đn T n Đ chuyên bách khoa Đ * - T Đ - T â Đ l Đ T ,T Đ T B Đ -Đ B Đ MỞ ĐẦU Lý chọn ề tài n nằm Quy trình cơng ngh s n xu t bia g ổi nhi t làm l nh dịch bia nằm n u bia, lên men bia chiết bia Thiết bị â x ởng n u Thiết bị làm l nh dị l n í T â x ởng lên c làm l 970C cần làm l n lắng xốy dịch bia có nhi q ặt hầu hế V cs x dịch bia không ổ ến men bia, d ến r u sử dụng b Integral Derivative) truy n th ứ e ến lít men 100 lít dị ng kho â x ởng n cu i củ 90C theo yêu cầu công ngh chủng lo i gi nhi í l n chuy n giao dị men bia Ở cu â x ởng u n nhi lên men bia ng e u n PID (Proportional , v i h n chế không ổi thông s v n hành d ến vi ứ ổi công ngh Khi nhi c yêu cầ u n không ịnh, làm cho bia bị s m màu, có th gây ởng ch l ng bia ến ởng D ần c i tiến b n hi u n PID cách kết h p v i b u n m u n nhi u gi i pháp cần thiết c l a ch n ổi nhi t có s Trong q trình v n hành thiết bị h th ng m t s b u n tỏ ho ứ gian hoặ ổi thơng s ng khơng xác theo th i c yêu cầu công ngh th c tế làm vi c Đ u n m sử dụng kinh nghi m chuyên gia gi i quyế b u n áp dụng r t hi u qu q trình cịn í thiếu thông tin, không th D cv c kết h x q u n m vào h th c i thi n ch l nhi t gi i pháp cần thiế Mục íc n x ịnh rõ ổi u n thiết bị ng h th ng n cứu Nghiên cứu thiết kế b ổi nhi t d a u n PID m cho thiết bị lý thuyết m , áp dụng th t vào u n t i nhà máy Bia Dung Qu t Nhiên q ổi nhi t hai ch t lỏng nóng l nh q l u n van tuyến tính ngõ thiết bị tr l q l ổi nhi t t m mỏng thiết bị ết bị ổi nhi ng ngõ nhi ị l dịch bia H th ng có mơ hình tốn phức t p, sử dụ D í Ứng dụng b ổi nhi t Dịch u n bở c xác sau m t th i gian làm vi c u n PID m u n nhi dịch bia ổ ịnh ữ lỏ ứng nhanh Đ tượng nghiên cứu Đ ê ế xú D Q Đ q ứ l ế ị Đ ổ ê â x ứ ủ ủ q ẩ ị l- l, ế - l ã, ế ế l lắ ổ ò l lắ x ù ế ê â x lê e ê ứ ế ủ q â l ê lý l ủ ầ T ế ổ ị ầ ị ủ l ẻ ò ế , ủ ò ổ , ị ỏ ế ị ổ l ổ ê ủ ổ ởl ị e ỏ l lê ế ế ứ q ế l ủ x lê ị ế l e ổ q í ầ ữ l ế q l ế , ế ủ ị oC x ụl o , C ằ lâ ứ ễ q ủ lê e bia N i dung nghiên cứu ê nhi ứ ứng dụng lý thuyế vào h th u n ổi nhi t thiết bị Thiết l c củ T ế ế D ứ Ý n ĩ ỏ o Đ gi i v ê M l ọc thực tiễn củ u n nhi í i thi n, nâng cao s ổ ổ x l l ủ ế q ề tài thiết bị “Thiết bị tr o ổi nhiệt kiểu tấm” bia Nhằm mụ ủ ặ 9oC õ ê ị ê ịnh s n phẩm ổi nhi t nói Vi c áp dụng b q u u n nhi , t i nhà máy bia Dung Qu t m t gi i pháp có tính th c tiễn nhanh, ổ ị ê ứng l i hi u qu kinh tế B cục lu n văn Ngoài phần mở ầu kết lu , n C c th c hi n i : 1: Quy trình cơng ngh s n xu t bia h th ng thiết bị nhi t C ơng 2: Xây d ng mơ hình h th C 3: Lý thuyết C 4: Đ u n PID PID m ổi nhi t u n PID PID m ng ổi CHƯƠN QUY TRÌNH CÔNG 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 Hình 1.1: cơng nghệ sản xu t bia * Thiết bị tr o ổi nhiệt tấm: Hình 1.2: Thiết bị r o ổi nhiệt Alfalaval 1.2 THIẾT BỊ NẤU BIA: 1.2.1 Máy nghiền m lt ướt: 1.2.2.Nồ ường hóa 1.2.3 Nồi lọc ( Lauter tun) 1.2.4 Nồ un s 1.3.LÊN MEN BIA: 1.3.1 Cấu tạo chung: 1.3.2 Nguyên lý làm việc: CHƯƠN Ơ HÌNH ĐỐI TƯỢNG HỆ THỐNG TRAO XÂY DỰN ĐỔI NHIỆT 2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC VỚI ĐỐI TƯỢNG l l Các biến vào củ bị (W1, TL1), l l l l l l ng nhi c l nh (W ’, T ’), l ng nhi l tục không dừng l i nên ta có th l l l l ng i biế biến TL1, TN2 nhi l l l ng nhi ng ch t lỏng v n chuy n liên ng dòng vào dị Trong h th ng thiết bị này, biến cần u c l nh vào thiết dịch bia vào thiết bị (W2, TN2) Biến dịch bia (W2, T ’) Trong thiết bị T ’, biế ò ng nhi u n nhi ò l dòng dịch bia c l nh W ’, mơ hình l l u c xem nhiễu củ l c l nh W ’, ng Biến không cầ u n ổi nhi t T ’ cl TT TL1; W1 TL1'; W1' TN2'; W2 TN2; W2 Hình 2.1: Nhi dịch bia T nguyên lý thiết bị r o ổi nhiệt t m ằng c m biến nhi ’ gửi tín hi u dòng theo chuẩn 4-20mA v b ặt B giá trị nhi t u n u chỉnh tín hi th c giá trị nhi u n so sánh v i nhi t ầu tuỳ thu c vào s sai khác ặt Tín hi u n, vị trí mở van phụ thu c vào tín hi , c m biến nhi t ầ u n i van n tượng: n nhi t từ môi ch t sang môi ch t khác thông qua b mặt tiế xú c tính: Q  kT A.Tm T (2.1) : (W) - Q dòng nhi - kT h s truy n nhi t (W/m2K) ổi nhi t (m2) - A di n tích mặ - ∆Tm nhi t sai hai dịng mơi ch t - WN = W2 l l l - WL = W1 l l l ng dịch bia c l nh Nhi t sai hai dịng mơi ch Tm  c tính: TL1' - TL1   TN - TN 2'  ln  TL1' - TL1  / TN - TN 2'   (2.2) Quá trình truy n nhi t phụ thu c vào nhi l thu l hai môi ch ng th i phụ ng WN; WLvà nhi t dung riêng CN, CLcủa dị c l nh â ằng nhi ĩ : Q = WNCN TN - TN 2'  = WLCL TL1' - TL1  e Từ (3.1), (3.2) (3.3) gi l (2.3) ng nhi ta có: TN 2'  TN   TL1' - TL1  :  e V l kT A WN CN  kT A ế ổ,l (2.4) WL CL ầ l ị ủ l l ằ ị ổ TL1 TN l 10 mL CL 20895* 4200    K A  2400*96.72  378.1  T :   mN CN  21000*3800  343.8  KT A 2400*96.72 T l ế V ĩ ủ G(s)  ế , ằ Van tuyến tính Samson có nhi m vụ ầu dịch bia Tín hi ) A ầ (2.9) r o ổi nhiệt t m t i nhà máy bia Dung Qu t Ơ HÌNH THIẾT BỊ VAN ĐIỀU (4 ÷ ị là: 40 378.1s  1343.8s  1 Hình 2.2: nhi p=40 l HIỂN u chỉnh góc mở van theo tín hi u ặt ầu vào van theo chuẩn u n góc mở van từ (0 ÷ 100)% 11 ều n tuyến tính Hình 2.3:V M ế í ị ầ l í é ổ ò ện í é í í é V ổ ủ H m tru ền b c u ển ổ B ủ í : ( ÷ 5) / ế ị l í nén â l ị (4 ÷ 20)mA ế x ị  kg cm   max 50 K   0.3125   I max 20   mA  : (2.10) 2.2.2 Hàm truyền van: Trong th c tế hàm truy n nh t có trễ, l y gầ G1 (s)  T ú l t củ â q c coi khâu quán tính b t í c nh t Kv Tv s  (2.11) : - Kv h s khuế - Tv th i gian củ i van ng (3÷ 5) , ng l y Tv = 3s 12 ổi từ (0÷ 5)kg/cm2 Khi tín hi )%, x s khuế K1  ị : 100   20 50 ổi từ ÷ mở củ % l l q s truy n giữ l từ ÷ 208.95hl/h Từ ổi từ (0 ÷ mở củ l ổi ng dị ng qua mở van là: K2  208.95  2.01 100 Kết h p hai hàm truy n ta có hàm truy khí nén tín hi G1 (s)  l l l t v i tín hi u vào áp su t c qua van: Kv 40.01  Tv s  3s  (2.12) Ơ HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẢ C m biến nhi hãng Siemens g m hai phần nhi dịch bia chuy 400)0C b chuy n trở thành tín hi BIẾN NHIỆT ĐỘ ổi thành tín hi n trở RTD n trở v i gi ổi tín hi u (Transmitter) có nhi m vụ chuy i u n dòng theo chuẩn (4 ÷ 20)mA Hình 2.4:Cảm biến nhiệ ộ chuy ổi transmister y, thiết bị có hàm truy n khâu quán tín b c nh t: (-200 ÷ ổi tín hi u 13 G2 ( s)  T : K Ts  l K (2.13) s khuế , i thiết bị x ị I max 20  mA   0.027( ) Tmax 400  200 C Th i gian trễ thiết bị : (2.14) ng kho ng (0.25ms ÷ 1s), ta ch n T = 1s V y hàm truy n thiết bị G2 ( s)  Từ ( ), ( ng: K 0.027  Ts  s  ), ( ) (2.15) ủ h l : GDT (s)  K.G(s).G1 (s) GDT ( s)  0.3125 CHƯƠN CƠ SỞ (2.16) 40 40.01  378.1s  1 343.8s  1 3s  Ý THU ẾT ĐIỀU Ý THU ẾT BỘ ĐIỀU (2.17) HIỂN PID VÀ PID Ờ HIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU HIỂN Ờ B ều ển PID B D ụ ã l ứ , ơ, q l , í x l q ỉ ê ế ,l x ủ l , l , , ứ 14 C ã DCS ụ í í l V D, l ỉl , , D í â e( ) ủ ữ ( ) + Td hay u(t) = Kp e(t) + Ki∫ c bi u diễ e ( ) 3.1.3 Thiết kế a Tổng hợp trực tiếp b 3.2 Ý THU ẾT ĐIỀU tốn học ầ v i thơng s tuyến cao, thơng s ịnh b í ( ) ều n PID ều khiển PID ều khiển (DS-PID) Ờ: ã i quyế u n ủ, nhiên v i h th ng phức t p, tính phi ầu vào khơng xác thiế ) ều khiển PID: HIỂN PID u n hi ( ) + Kd 3.1.2 Nhiệm vụ giải pháp thiết kế b h th ng bằ () sau: Hình 3.1: Lý thuyế í Dl : u(t) = Kp (e(t) + ∫ Đ q rình tốn h ủ bi u diễn u n hi n 15 v n cịn nhi u khuyế thuyế ãl m Chính nhữ e u n m i mô phỏ ủ x t hi n lý l i hay g u n trí tu nhân t o u n d củ ê ặ q iv áp dụ ế m, hành vi nh n thức ị u , ng h p thiếu thơng tin thơng tin v ng khơng xác Khái ni m logic m c Zedeh nêu lầ ầu vào 1965, từ lý ết m c nghiên cứu phát tri n khơng ngừng Mặc dù cịn nhi u tranh cãi v tính xác, mứ chặt chẽ lý thuyế u n ph m vi ứng dụng ngày lý thuyết m gi i quyế nhi i s u n ã 3.2.1 T p ợp mờ Địn n ứng cho s mờ i 3.2.2 B B g i b ều ú ắ m ĩ ấ đặ điểm củ b ững ứng dụng u n m i mờ: mờ: ển mờ u c xây d ng d ê lý thuyế u n m c u n m a Cấu trúc điều khiển mờ: B u n m bao g m ba kh thành gi i m n: M ầu vào, thiết bị h p 16 Hình 3.2: khối ều n mờ Trong kh i trên, kh i lu t m kh i h p thành b ph n b ê u n D lu , u n nhằ C u trúc m t b m củ c mụ u n m í i thiết kế n n bao g Hình 3.3: C u trúc hệ thống sử dụng T - tri n khai â ẽ 3.19 ều n mờ : Giao di l , í ầu vào bao g m khâu m hóa khâu phụ tr khác (khâu tỉ â , â …) th c hi n u n t ng 17 - lu - R Thiết bị h p thành: Khâu tri n khai lu t h c xây d ng u n ầu ra: G m khâu gi i m Giao di â ế ng u n V c u trúc h th u n m không khác so v i h th ng S khác bi t â l n t ủ theo lu u u n m làm vi c i, m t d ng trí tu nhân t o b Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ: Nguyên tắc tổng h p m t b h , ị ĩ u n m hồn tồn d ến ngơn ngữ ê toán l a ch n lu t u n Quá trình xây d ng b ặt v thỏa mãn yêu cầ m ế u n m sát tính ổ u n u n l u , q Không bao gi thiết kế b h t s nguyên tắc tổng u n m u gi i v u khi n m m củ t n dụng nhữ Đ i v i h th ng cầ an toàn cao, vi c sử dụng b x l ng mụ mà có th dễ n V i m t s n có th kết h p giữ B q u n m : chế yêu cầu v ch - n Lý thuyết v u n m , v dàng th c hi n b - u n t t, ững nguyên tắc chuẩn m c cho vi c thiết kế, kh o ịnh, tính b n vững, ch th ng sử dụng b - c nghiên cứu hoàn thi khác, v h pb l c ch í u nv u u n m h n h th ng có th ịnh thơng qua th c nghi m u n m ph c thiết kế phát tri n thơng qua th c nghi m Ngồi trình xây d ng lu u n m , cần t n dụng t i 18 ững hi u biết kinh nghi m củ lu u n t t nh t 3.2.3 Các bước x CHƯƠN 4.1 ĐIỀU dựn b 4: ĐIỀU ều ển mờ HIỂN PID VÀ PID Ờ CHO ĐỐI TƯỢN HIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢN : Kết m p + i thiết kế v h th n tr n m tl b s mul n : ị ặ ổ: Đ thị nhiệ ổ ị ặ: ộ ược ều n PID 19 Đ 4.2 ĐIỀU b HIỂN PID ều B ị ệ ổ rị ệ ộ Ờ CHO ĐỐI TƯỢN : ển PID mờ i điề ết m p iể n vớ b ặ ều ển Fuzz _PID ổ: Đ thị nhiệ + Khi thay ổ ộ ặ: ộ ược ều n Fuzzy-PID 20 4Đ ết m p ị ệ ộ n so sán ược ữ ổ b ều ề ằ ển PID vớ Fuzz _PID Đ thị nhiệt ộ so sánh hai Fuzzy_PID ều n PID Nh n xét: Từ thị hình 4.17 ta th y b u D q u chỉnh l t nhi u so v i b u n PID m th i gian xác l p b u D ũ lâ u so v i b u n PID m 21 ết m p t n so sán ổ n ệt c Đ thị nhiệ N ữ nhanh q ã ển PID vớ Fuzz _PID ộ so sánh hai ều n PID Fuzzy-PID ổi giá trị nhiệt ộ c t ổ ầ D ều ặt: n xét: ê b ứ D ỉ ứ q ứ B ỉ x l 22 Đ thị giá trị e Kp, K , Kd ổi nhiệ ộc t 4.3 NHẬN XÉT CHUNG: -Đ ứng nhi b D u b u u n Fuzzy-PID - Th i gian xác l p nhi b D lâ u b u n Fuzzy-PID - Sai s xác l p b ổi v nhi ng nhi b u n Fuzzy-PID t b ặt trình ho u n Fuzzy-PID t u n PID ng, mứ u so v i b dao u n PID - Sai s xác l p b nhỏ C u n Fuzzy-PID t u n PID 23 ều khiển PID: 4.3.1 B ần b - Trong công nghi p s n xu t nhu cầu phần l D u u n trình, th c tế ứ c c sử dụng r ng rãi nhà máy s n xu t công nghi p hi n -Đ q u chỉnh q ẽ ( ị ặ (setpoint) khác ổ ũ ị l , x ế l e ầ l , ) l l ò ổ -C l q q ị -Q q ều khiển mờ PID (Fuzzy-PID): 4.3.2 B -Q ị ặ ổ í ổ quy ị ( ầ ), l -C l í x l -S ổ ế q -Đ q l ị ỉ ỏ ổ ủ ị x l ởí -T ế -T xử lý ầ ứ x ế l ẩ l q ỏ ủ , ỉ ụ 24 KẾT LUẬN Các mặt hạn chế: -M í ế Hướng phát triển củ - Xe xé ề tài: ế ứ ụ D l , â - ầ í q x ỡ ế ị ho nhà máy l l l ơ ầ ủ l ầ ủ l l ... thuyế u n ph m vi ứng dụng ngày lý thuyết m gi i quyế nhi i s u n ã 3.2.1 T p ợp mờ Địn n ứng cho s mờ i 3.2.2 B B g i b ều ú ắ m ĩ ấ đặ điểm củ b ững ứng dụng u n m i mờ: mờ: ển mờ u c xây d ng... lu u n m , cần t n dụng t i 18 ững hi u biết kinh nghi m củ lu u n t t nh t 3.2.3 Các bước x CHƯƠN 4.1 ĐIỀU dựn b 4: ĐIỀU ều ển mờ HIỂN PID VÀ PID Ờ CHO ĐỐI TƯỢN HIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢN : Kết m... thuyết C 4: Đ u n PID PID m ổi nhi t u n PID PID m ng ổi CHƯƠN 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