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

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀO HỒNG CẨM MƠ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Thái Ngun - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI NÓI ĐẦU Tự động hố đóng vai trị quan trọng hầu hết ngành sản xuất kinh tế đại Đặc biệt công nghiệp sản xuất điện Hệ thống điều chỉnh tự động đóng vai trò then chốt việc nâng cao hiệu kinh tế đảm bảo chất lƣợng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động ngƣời Với phát triển cơng nghệ tự động hóa điều khiển trình, đặc biệt với việc điều khiển điều khiển mờ lai thiết bị điều khiển tự động gồm điều khiển kinh điển điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực Với đối tƣợng điều khiển bình bao nhà máy nhiệt điện có nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nƣớc bình bao hay áp suất bình Tuy nhiên phần ổn định nhiệt độ cịn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lƣợng điều khiển, điển hình áp dụng điều khiển mờ lai Với kiến thức tìm tịi nghiên cứu hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lƣợng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển mờ lai” Trong q trình thực đề tài tơi nhận đƣợc giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên Đặc biệt dƣới hƣớng dẫn góp ý thầy PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy, cô giáo để tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Đào Hồng Cẩm Mơ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đào Hồng Cẩm Mơ Sinh ngày: 14 tháng năm 1988 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá 01 Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác Công ty TNHH Yamaha Motor Vietnam Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn, không chép ngƣời khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Nếu có sai tơi hồn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Đào Hồng Cẩm Mơ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁCBẢNG viii DANH MỤC CHỮ VIẾTTẮT viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu luận văn Kết thực nghiệm luận văn Nội dung luận văn CHƢƠNG NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÕ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 1.1.3 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 12 1.2.1 Đặt vấn đề 12 1.2.2 Bộ nhiệt thiết bị liên quan hệ thống 13 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 22 CHƢƠNG 24 MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG 24 LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 24 2.1 KHÁI QUÁT CHUNG 24 2.2 MƠ TẢ TĨAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 26 2.2.1 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển trình 26 2.2.2 Hàm truyền hệ thống 32 2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 33 CHƢƠNG 34 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 34 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 34 3.1.1 Bộ điều khiển PID 34 3.1.2 Chọn luật điều khiển PID 36 3.1.3 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 38 3.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK 41 3.2.1 Cấu trúc mô 41 3.3.2 Các kết mô 41 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG THỆ THỐNG BẰNG THỰC NGHIỆM 42 3.3.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 42 3.3.2 3.3.3 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 45 Các kết thực nghiệm 48 3.3.4 So sánh với kết mô 48 CHƢƠNG 49 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ HƠI 49 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 49 4.1 CẤU TRÖC MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 49 4.1.1 Mờ hoá 49 4.1.2 Giải mờ 50 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 51 4.1.3.1 Các bƣớc xây dựng luật hợp thành có nhiều điều kiện 52 4.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 53 4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 53 4.2.2 Bộ điều khiển mờ động 54 4.2.3 Điều khiển mờ lai 55 4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 58 4.3.1 Đặt vấn đề 58 4.3.2 Mờ hoá 58 4.3.3 Sơ đồ mô 59 4.3.4 Kết mô 59 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 60 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 61 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TÊN CÁC HÌNH VẼ……………………… ………… … …………….….TRANG Hình 1.1: Sơ đồ vịng tuần hồn kín nƣớc nhà máy nhiệt điện Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo lị có bao Hình 1.3: Sơ đồ bố trí q nhiệt 14 Hình 1.5: Bố trí giảm ơn đầu vào 15 Hình 1.4: Bố trí giảm ơn cuối 15 Hình 1.6 : Giảm ơn bề mặt 15 Hình 1.7 : Ảnh hƣởng phụ tải đến nhiệt độ nhiệt 17 Hình 1.8: Đặc tính động q nhiệt 18 Hình 1.9 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cấu điều chỉnh góc phun nhiên liệu nhiệt 20 Hình 1.10 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cấu điều chỉnh lƣu lƣợng ống phun nhiên liệu 20 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc hệ hai vòng điều khiển nhiệt độ nhiệt 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối vịng hệ thống điều khiển q trình 26 26 Hình 2.3: Cấu trúc thiết bị chấp hành 29 29 31 Hình 2.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nhiệt độ nhiệt 33 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 34 Hình 3.2: Dải tần số mà có biên độ hàm đặt tính 1, rộng tốt 39 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt cho lò nhà máy nhiệt điện 40 Hình 3.4: Cấu trúc mơ hệ thống điều khiển nhiệt lò 41 Hình 3.5a: Kết mơ hệ thống điều khiển nhiệt lị khơng có nhiễu 41 Hình 3.5b: Kết mơ hệ thống điều khiển nhiệt cho lị có nhiễu 42 Hình 3.6: Cấu trúc thực nghiệm ổn định nhiệt độ bình bao 42 Hình 3.7: Bình mức thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 43 Hình 3.8: Van điều khiển để ổn định nhiệt độ 43 Hình 3.9: Giao diện thí nghiệm ổn định nhiệt độ 44 Hình 3.10: Giao diện kết thí nghiệm điều khiển nhiệt độ lò 44 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 3.11: Kết thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò 48 Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mờ 49 Hình 4.2: Phƣơng pháp giải mờ cực đại 50 Hình 4.3: Giải mờ theo điểm trọng tâm 51 Hình 4.4: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 56 Hình 4.5: Hệ mờ với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 56 Hình 4.6: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 57 Hình 4.7: Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ 57 Hình 4.7: Sự phân bố hàm liên thuộc đầu vào 58 Hình 4.8: Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai 59 Hình 4.9: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 59 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1: Các phận lò Bảng 2: Các thiết bị phòng thí nghiệm 48 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA D Sản lƣợng x Tín hiệu chủ đạo E Sai lệch y Tín hiệu SP Giá trị đặt ĐK Điều khiển ĐL Đo lƣờng PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân F-PID Bộ điều khiển mờ lai PLC/DCS Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán CPU Khối xử lý trung tâm PS Khối nguồn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đối với nhà máy nhiệt điện hệ thống điều chỉnh tự động đóng vai trị then chốt q trình sản điện Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất nhà máy cách lựa chọn thông số điều chỉnh cho phù hợp, chế độ làm việc tối ƣu thiết bị theo thông số quy định Trong nhà máy nhiệt điện trình nhiệt đóng vai trị chủ yếu Các q trình nhiệt nhà máy nhiệt điện đa dạng thay đổi ảnh hƣởng nhiên liệu, chất lƣợng nƣớc, chế độ khơng khí, đặc biệt chế độ làm việc không ổn định thiết bị chịu nhiệt vận hành lâu dài Do thơng số cơng nghệ thay đổi dải rộng, làm suy giảm hiệu suất thiết bị nhà máy so với thiết kế ban đầu Gây cố dẫn đến hỏng hóc phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt khơng thể thực đƣợc chế độ bình thƣờng Do vấn đề điều chỉnh thơng số trình nhiệt nhà máy quan trọng Với phát triển công nghệ tự động hóa điều khiển q trình, với tảng thuật tóan điều khiển PID kinh điển, sau thuật tóan PID tự chỉnh, PID logic mờ, thuật toán điều khiển tối ƣu… Xong việc nghiên cứu tìm hiểu thuật tốn điều khiển đề tài nhiều ngƣời, nhiều ngành nghiên cứu mang tính thời cao Điều cho phép tìm hiểu cặn kẽ chân thực chất thuật tóan ứng dụng điều khiển Tìm đƣợc ƣu nhƣợc điểm để từ hạn chế đƣợc mặt yếu phát huy mặt mạnh nhằm nâng cao tiêu chất lƣợng theo yêu cầu Xuất phát từ yêu cầu thực tế thân nâng cao hiểu biết điều khiển ổn định nhiệt độ phục vụ cho điều khiển nhiệt độ phân sơn nhựa cơng ty Yamaha Đồng thời nhằm đóng góp thiết thực cho cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nƣớc nói chung trong lĩnh vực điện tự động hóa nói riêng Đặc biệt với việc điều khiển điều khiển mờ lai thiết bị điều khiển tự động gồm điều khiển kinh điển điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực Với đối tƣợng điều khiển bình bao nhà máy nhiệt điện có nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nƣớc bình bao hay áp suất bình Tuy nhiên phần ổn định nhiệt độ cịn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lƣợng điều khiển, điển hình áp dụng điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Từ yêu cầu thực tiễn đòi hỏi nâng cao chất lƣợng trình điều khiển cộng với tìm tịi nghiên cứu hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển xin tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lƣợng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển mờ lai” Mục tiêu luận văn Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát mô thực nghiệm đƣợc hạn chế phƣơng pháp điều khiển Để khắc phục nhƣợc điểm điều khiển kinh điển, dựa sở logic mờ, luận văn đề xuất thiết kế điều khiển thông minh sử dụng điều khiển mờ lai Bƣớc đầu tiến hành kiểm nghiệm điều khiển phần mềm mô Matlab Simulink Kết thực nghiệm luận văn Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ lò lý thuyết kiểm nghiệm mô miền thời gian ảo công việc trƣớc luận văn cao học Ngày nay, yêu cầu học đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần đƣợc kiểm chứng thực nghiệm miền thời gian thực Đây yêu cầu nâng cao chất lƣợng đào tạo nhà trƣờng Việc áp dụng sáng tạo mơ hình thí nghiệm sẵn có nhà trƣờng vào công việc thực nghiệm luận văn đạt kết tốt Kết thí nghiệm chứng tỏ nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ lò đề tài lý thuyết mơ cịn có khoảng cách so với thực tế nhờ có thí nghiệm nên có sở vững để điều chỉnh lại thông số điều khiển đáp ứng yêu cầu hệ thống làm tảng cho thiết kế nâng cao chất lƣợng cho hệ thống Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chƣơng sau: Chƣơng 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò nhà máy nhiệt điện Chƣơng 2: Mô tả tốn học cho đối tƣợng nhiệt độ lị nhà máy nhiệt điện Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhà máy nhiệt điện Chƣơng 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 48 3.3.3 Các kết thực nghiệm Hình 3.11: Kết thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lị Thực nghiệm với mơ hình ổn định nhiệt độ bình bao có đặt tính tƣơng tự nhƣ nhiệt độ nhiệt đối tƣợng thực đề tài Khi để giá trị đặt nhiệt độ theo yêu cầu, nhiệt độ bình chứa tăng dần sau khoảng thời gian nhiệt độ với nhiệt độ yêu cầu Tuy nhiên nhận thấy đặc tính cịn chƣa đạt, nhƣ thời gian độ lớn, lƣợng điều chỉnh cao Để cải thiện đặc tính ta sử dụng điều khiển tham số PID, cách thay đổi thông số PID cách phù hợp ta lấy đƣợc đƣờng đặc tính tốt theo yêu cầu điều khiển ổn định nhiệt độ 3.3.4 So sánh với kết mô Kết mô điều khiển mức nhƣ hình 3.15a hình 3.15b kết thực nghiệm nhƣ hình 3.11 có sai lệch với lƣợng điều chỉnh, sai lệch tĩnh thời gian q độ Thơng qua thực nghiệm mơ hình điều khiển mức trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp chứng tỏ mối liên hệ thực tiễn lý thuyết Qua đó, nâng cao đƣợc nội dung kết cho luận văn tính ứng dụng vào thực tế 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng luận văn thiết kế đƣợc điều khiển PID để điều khiển đối tƣợng nhiệt độ bình bao nhà máy nhiệt điện Bộ điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt đƣợc kiểm chứng thông qua mô phầm mềm MatlabSimulink mơ hình thực nghiệm thiết bị lị trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Đây nội dung quan trọng so sánh kết mơ hình mơ thí nghiệm thực tế luận văn chứng tỏ mối liên hệ lý thuyết thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 49 CHƢƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Với đối tƣợng điều khiển nhiệt độ bình bao đƣợc thay tƣơng đƣơng thiết bị gia nhiệt trung tâm thí nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Trong điều khiển nhiệt đƣợc đánh giá qua mơ thí nghiệm đạt u cầu chất lƣợng tĩnh động Để thỏa mãn yêu cầu tự động nâng cao chất lƣợng điều chỉnh ta tiến hành thiết kế điều khiển mờ lai cho đối tƣợng 4.1 CẤU TRÖC MỘT BỘ 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 Khối hợp thành B’ Giải mờ defuzzyfier y Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mờ 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 hố phải cho tính tốn đơn giản luật hợp thành - Có khả khử nhiễu đầu vào Có số phép mờ hố nhƣ: Mờ hoá Singleton, mờ hoá Gaussian, mờ hoá tam giác, hình thang… Mờ hố Singleton cho phép tính đơn giản luật hợp thành có biểu thức hàm liên thuộc kinh điển: μA x = x = x* x x* Số hóa Trung tâm Học liệu (4.1) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 50 Mờ hoá tam giác cho hàm liên thuộc có dạng μA x = xn - x*n x1 - x1* 1* * 1khi xi - xi* b1 bn1 bi (4.2) Khi xi - xi* > i = 1,2, ,n bi > phép giao (*) chọn hay tích đại số 4.1.2 Giải mờ Sau khâu thiết bị hợp thành, tín hiệu đƣa khơng thể sử dụng cho điều khiển đối tƣợng thực chất đầu khâu giá trị mờ B, Vì cần khâu giải mờ để làm rõ giá trị cụ thể tín hiệu điều khiển tƣơng ứng với giá trị cụ thể đầu vào điều khiển mờ Có hai phƣơng pháp giải mờ yếu: phƣơng pháp cực đại phƣơng pháp trọng tâm * Phƣơng pháp cực đại giải mờ theo hai bƣớc: 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 - Nguyên lý trung bình: y’ = y1 + y2; y1, y2 giá trị biên miền G y1