Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức và nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển pid mờ

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LƢU ĐĂNG KHOA " NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ " LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự dộng hóa Thái Nguyên - năm 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ CÁC ĐỐI TƢỢNG ĐA BIẾN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trước tiến hành phân tích đối tượng điều khiển đa biến, ta nêu lại số khái niệm sử dụng trình thiết kế luận văn sau: 1.1 Các khái niện trình điều khiển trình 1.1.1 Các khái niệm - Quá trình trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ (IEC60050-351[1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]) - Q trình cơng nghệ q trình liên quan tới biến đổi, vận hành lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Một q trình cơng nghệ đơn giản trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp phức tạp tổ hợp lò phản ứng - tháp chưng luyện tổ hợp lị turbin - Q trình kỹ thuật trình với đại lượng kỹ thuật đo can thiệp Khi nói tới q trình kỹ thuật, ta hiểu q trình cơng nghệ phương tiện kỹ thuật thiết bị đo thiết bị chấp hành Sự phân biệt hai khái niệm “quá trình kỹ thuật” “q trình cơng nghệ” khơng phải vấn đề - Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Khái niệm trình với phân loại biến trình minh hoạ hình 1.1 Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ từ bên ngồi vào q trình, ví dụ lưu lượng dịng ngun liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng mở rơle, sợi đốt, Biến đại lượng điều kiện thể tác động trình bên ngồi, ví dụ nồng độ lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí t - ) Bên cạnh biến vào ra, nhiều ta quan tâm tới biến trạng thái Các biến trạng thái mang thơng tin trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất mức chất lỏng, dẫn xuất từ đại lượng đặc trưng khác, ví dụ tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất mức Trong nhiều trường , vừa coi biến Hình 1.1:Quá trình phân loại biến trình Một cách tổng quát, nhiệm vụ hệ thống điều khiển trình can thiệp biến vào trình cách hợp lý để biến thoả mãn tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu trình kỹ thuật người môi trường xung quanh Hơn nữa, diễn biến trình tham số, trạng thái hoạt động thành phần hệ thống cần theo dõi giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, q trình cơng nghệ khơng phải biến vào can thiệp biến cần phải điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Biến cần điều khiển (controller variable, CV (set point, SP) bám theo biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới vận hành ổn định, an toàn hệ thống chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất nồng độ biến cần điều khiển tiêu biểu hệ thống điều khiển trình Các biến biến trạng thái cịn lại q trình đo, ghi chép hiển thị Biến điều khiển (manipulated variable, MV) biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động tới biến theo ý muốn Trong điều khiển trình lưu lượng biến điều khiển tiêu biểu Những biến vào cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiễu Nhiễu tác động tới q trình cách khơng mong muốn, cần có biện pháp loại bỏ giảm thiểu ảnh hưởng Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhiễu trình (disturbance) nhiễu đo (noise) Nhiễu trình biến vào tác động lên trình kỹ thuật cách cố hữu khơng can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trình đo /ra cơng nghệ đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhìn từ phía cơng nghệ đầu vào đầu q trình lượng vật chất, từ quan điểm hệ thống ta quan tâm tới thông tin thể qua biến q trình 1.1.2 Mục đích u cầu điều khiển trình Nhiệm vụ điều khiển trình đảm bảo điều kiện vận hành an tồn, hiệu kinh tế cho q trình cơng nghệ Trước tìm hiểu xây dựng hệ thống điều khiển trình, người kỹ sư phải làm r bắt đầu với việc tiến hành phân tích cụ thể hố mục đích điều khiển Phân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tích mục đích điều khiển sở quan trọng cho việc đặc tả chức cần thực hệ thống điều khiển q trình Tồn chức hệ thống điều khiển q trình phân loại xắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích sau đây: - , trơn tru - : Giá trị đại lượng cần điều khiển gần với giá trị đặt tốt Chất lượng sản phẩm đánh giá thông qua số tiêu chất lượng + Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng độ) + Đáp ứng với tác động nhiễu (đáp ứng loại nhiễu) - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ khơng đáp ứng * Khóa liên động nhằm: Tránh xảy tình nguy hiểm (ví dụ động khởi động mức bình đạt giá trị đó) Giảm thiểu tác hại cố xảy (bằng biện pháp ngắt phần dừng khẩn cấp) - CO2 h Trong dây chuyền công nghệ ngày thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường: - Giảm nhiên liệu tiêu thụ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Giảm sử dụng nước Yêu cầu cao tiêu chuẩn quốc gia quốc tế xử lý nước thải khí thải - ( ,x qu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ) 1.2 Các thành phần hệ thống ĐKQT 1.2.1 Cấu trúc HT ĐKQT Tuỳ theo quy mô ứng dụng mức độ tự động hố, hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp đơn giản đến tương đối phức tạp, chúng dựa ba thành phần thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Chức thành phần hệ thống quan hệ chúng thể cách trực quan với sơ đồ hình 1.2 hình 1.3 cấu trúc điều khiển phản hồi vịng điều khiển q trình Theo hình 1.3 bao gồm phần sau: Hình 1.2: Các thành phần hệ thống điều khiển q trình Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.3: Sơ đồ khối vịng hệ thống điều khiển trình 1.2.2 Các thành phần hệ điều khiển trình 1.2.2.1 Thiết bị đo Chức thiết bị đo cung cấp tín hiệu tỷ lệ theo nghĩa với đại lượng đo (hình 1.4) Một thiết bị đo gồm hai thành phần cảm biến (sensor) chuyển đổi đo (transducer) Một cảm biến thực chức tự động cảm nhận đại lượng quan tâm trình kỹ thuật biến đổi thành tín hiệu Để truyền xa sử dụng thiết bị điều khiển dụng cụ báo, tín hiệu từ cảm biến cần khuếch đại, điều hoà chuyển đổi sang dạng thích hợp Một chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển đổi đo mà cho đầu tín hiệu chuẩn ( - - - - .) Trong hệ thống điều khiển trình truyền thống tín hiệu 4-20mA thơng dụng nhất, x thuật ngữ “transmitter“ “transducer” dùng để thiết bị đo, tức bao gồm “sensor” Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 1.2.2.2 Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay điều khiển (controller) thiết bị tự động thực chức điều khiển, thành phần cốt lõi hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù thuật ngữ “thiết bị điều khiển” “bộ điều khiển” PID PLC/DCS PLC/DCS) Trong phạm vi chương trình, nói giải pháp hệ thống “thiết bị điều khiển” “bộ điều khiển” hiểu với nghĩa tương đương, đề cập tới vấn đề thuộc sách lược điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sử dụng “bộ điều khiển” Trên sở sử dụng tín hiệu đo cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển lựa chọn, điều khiển thực thuật toán điều khiển đưa tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại trình kỹ thuật thơng qua thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào phương pháp thể luật điều khiển, thiết bị điều khiển xếp loại thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller), thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén điện tử xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơle ( Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 3.5.4 So sánh với kết mô Kết mơ điều khiển mức hình 3.13, hình 3.14 kết thực nghiệm hình 3.24 có sai lệch với lượng điều chỉnh, sai lệch tĩnh thời gian độ Thơng qua thực nghiệm mơ hình điều khiển mức trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp chứng tỏ mối liên hệ thực tiễn lý thuyết Qua đó, nâng cao nội dung kết cho luận văn tính ứng dụng vào thực tế 3.6 Kết luận chƣơng Trong chương ba luận văn thực nội dung quan trọng là: Thực phân ly hai kênh thiết kế điều khiển theo quy luật PID cho đối tượng mức phương pháp tối ưu đối xứng thiết kế điều khiển theo quy luật PID cho đối tượng nhiệt phương pháp tối ưu modul Bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu đối tượng đa biến kiểm chứng qua mô Matlab – Simulink thực nghiệm mơ hình trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 Chƣơng THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Như ta xét, lò thay tương đương thiết bị điều khiển mức gia nhiệt (mơ hình thí nghiệm MIMO) trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Trong điều khiển nhiệt đánh giá qua mơ thí nghiệm đạt yêu cầu chất lượng tĩnh động Điều khiển mức chưa thỏa mãn yêu cầu đề Do đó, chương ta tiến hành thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mạch vòng điều chỉnh mức 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ Cấu trúc điều khiển mờ thể hình 4.1 gồm khối: Khối mờ hoá, khối luật mờ, khối hợp thành khối giải mờ Khối luật mờ x Mờ hoáfuzzyfier B’  Khối hợp thành Giải mờ defuzzyfier Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ y 57 4.1.1 Mờ hoá Phép mờ hoá ánh xạ điểm thực x*U vào tập mờ AU nguyên tắc: - Tập mờ A phải có hàm liên thuộc lớn x* - Phép mờ hoá phải cho tính tốn đơn giản luật hợp thành - Có khả khử nhiễu đầu vào Có số phép mờ hoá như: Mờ hoá Singleton, mờ hoá Gaussian, mờ hố tam giác, hình thang… Mờ hố Singleton cho phép tính đơn giản luật hợp thành có biểu thức hàm liên thuộc kinh điển: 1 μA  x  =  0 x = x* x  x* (4.1) Mờ hoá tam giác cho hàm liên thuộc có dạng  x1 - x1*   xn - x*n  *  1 xi - xi  bi * *  1b1  bn1  μ A  x  =   0 Khi xi - xi* > i = 1,2, ,n  (4.2) bi > phép giao (*) chọn hay tích đại số 4.1.2 Giải mờ (defuzzyfier) Sau khâu thiết bị hợp thành, tín hiệu đưa sử dụng cho điều khiển đối tượng thực chất đầu khâu ln giá trị mờ B, Vì cần khâu giải mờ để làm rõ giá trị cụ thể tín hiệu điều khiển tương ứng với giá trị cụ thể đầu vào điều khiển mờ Có hai phương pháp giải mờ yếu: phương pháp cực đại phương pháp trọng tâm * Phương pháp cực đại giải mờ theo hai bước: Xác định miền chứa giá trị rõ y’ Giá trị y’ giá trị mà hàm liên thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao tập mờ B’), tức miền: G = { yH g(y) = H} Xác định y’ cụ thể (bằng số) từ G theo ba nguyên lý Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 - Nguyên lý trung bình: y’ = y1 + y2; y1, y2 giá trị biên miền G y1