Nâng cao chất lượng hệ thống ổn định mức nước bình chứa quá trình bằng bộ điều khiển mờ lai

i LỜI NĨI ĐẦU Trong sản xuất cơng nghiệp, điều khiển q trình cơng nghệ ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Điều khiển trình gặp sản xuất xi măng, sản xuất thép, công nghệ chế biến thực phẩm, sản xuất điện, …Nghiên cứu điều khiển trình nhằm nắm bắt vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích u cầu điều khiển q trình cơng nghệ; Đặt tốn điều khiển cho u cầu cụ thể; Thiết kế sách lược điều khiển phù hợp với u cầu với mơ hình q trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Nhằm nâng cao hiểu biết điều khiển q trình, tơi lựa chọn đề tài: Nâng cao chất lượng hệ thống ổn định mức nước bình chứa trình điều khiển mờ lai Trong trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, cô giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Nguyễn Như 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 đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Minh Tuấn ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Minh Tuấn Sinh ngày: 20 – 10 - 1985 Học viên lớp cao học khoá 18 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Nhà máy Nhiệt điện An Khánh Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Minh Tuấn iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài 1.1 Vai trò lò nhà máy nhiệt điện đốt than .1 1.2 Giới thiệu lò NG – 230/9.8/540-M 1.3 Các biến trình bao 2 Mục tiêu luận văn 3 Nội dung luận văn: Chương GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN AN KHÁNH 1.1 Giới thiệu chung nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện .4 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện An khánh .5 1.2.1 Giới thiệu lò hơi: NG – 230/9.8/540-M 1.2.2 Thông số kỹ thuật lò NG – 230/9.8/540-M 1.2.3 Mô tả cấu tạo đặc tính kỹ thuật lị NG – 230/9.8/540-M 1.3 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy Nhiệt điện An khánh .13 1.3.1 Chức năng, nhiệm vụ điều chỉnh mức nước bao 13 1.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển mức nước bao 13 1.4 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy Nhiệt điện An khánh 14 1.4.1 Đặt vấn đề .14 1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu .15 1.4.3 Dự kiến kết đạt .15 iv 1.5 Kết luận chương 15 Chương MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG MỨC TRONG LỊ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 16 2.1 Khái quát chung .16 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện 18 2.2.1 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển trình 18 2.2.2.Thiết bị đo .18 2.2.3 Thiết bị chấp hành 21 2.2.4 Hàm truyền mơ hình 26 2.3 Hàm truyền hệ thống 31 Chương KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO LÒ HƠI 33 3.1 Giới thiệu chung .33 3.1.1 Bộ điều khiển PID 33 3.1.2 Chọn luật điều khiển PID: 36 3.2 Phương pháp tối ưu đối xứng 37 3.3 Thiết kế điều khiển mức cho lò 39 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink .40 3.4.1 Cấu trúc mô phỏng: 40 3.4.2 Các kết mô 40 3.5 Kết luận chương 41 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI .42 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 42 4.1.1 Mờ hoá 42 4.1.2 Giải mờ (defuzzyfier) 43 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 44 4.2 Các điều khiển mờ .47 v 4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 47 4.2.1 Bộ điều khiển mờ động 47 4.3 Bộ điều khiển mờ lai 49 4.3.1 Sơ đồ mô .49 4.3.2 Các biến vào 49 4.3.3 Kết mô 50 4.4 Nhận xét: 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 Kết luận 52 Kiến nghị 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 vi DANH MỤC CÁC CBẢNG Tên bảng Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật lò NG – 230/9.8/540-M Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Hình 1.1 Bản vẽ sơ lược hệ thống lị Nhà máy nhiệt điện An khánh Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều chỉnh mức nước bao Hình 2.1 Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình Hình 2.2 Cấu trúc thiết bị đo trình Hình 2.3 Một số hình ảnh thiết bị đo Hình 2.4 Cấu trúc thiết bị chấp hành Hình 2.5 Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén Hình 2.6 Biểu tượng ký hiệu cho kiểu tác động van Hình 2.7 Bao nhà máy nhiệt điện Hình 2.8 Hệ thống lọc khí, hâm nước bơm Hình 2.9 Cơ cấu đo hiển thị mức nước dùng ống kính ngắm Trang 14 18 18 19 22 23 24 26 27 29 Hình 2.10 Đặc tính động mức nước bao thay đổi lưu lượng nước cấp 29 Hình 2.11 Đặc tính động mức nước bao theo lưu lượng nước cấp Hình 2.12: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao tín hiệu Hình 3.1 Bộ điều khiển theo quy luật PID Hình 3.2 Minh hoạ tư tưởng thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng Hình 3.3 Minh hoạ tư tưởng thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức cho lị nhà máy nhiệt điện Hình 3.5 Cấu trúc mô điều khiển mức nước bao Hình 3.6 Đặc tính mơ điều khiển mức nước bao Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ Hình 4.2 Phương pháp giải mờ cực đại Hình 4.3 Giải mờ theo điểm trọng tâm Hình 4.4 Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai Hình 4.5 Bộ điều khiển mờ động Hình 4.6 Giải mờ điểm trọng tâm Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh mức 30 32 33 37 38 39 40 40 42 43 44 49 49 50 50 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài 1.1 Vai trò lò nhà máy nhiệt điện đốt than Trong nhà máy nhiệt điện, lò thiết bị quan trọng vận hành với quy trình chặt chẽ nghiêm ngặt, hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển nhiều tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác Trong đó, hệ thống điều chỉnh mức nước bao khâu quan trọng hệ thống điều khiển lò Nhiệm vụ hệ thống đảm bảo tương quan lượng nước đưa vào lò lượng sinh Khi tương quan bị phá vỡ mức nước bao không cố định Mức nước thay đổi dẫn tới cố tuabin hay lò Nếu mức nước bao lớn giá trị cho phép làm giảm suất bốc bao hơi, giảm nhiệt độ nhiệt ảnh hưởng tới vận hành tuabin Nếu mức nước bao thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ nhiệt, gây nổ hệ thống ống sinh Trong q trình vận hành lị hơi, mức nước bao ln thay đổi dao động lớn địi hỏi người công nhân vận hành phải điều chỉnh mức nước bao kịp thời ổn định giá trị cho phép Song lị có nhiều thông số cần theo dõi điều chỉnh nên người vận hành điều chỉnh kịp thời liên tục để giữ ổn định mức nước bao Do tự động điều chỉnh mức nước bao khâu trọng yếu hệ thống điều chỉnh tự động lị hơi, đóng vai trò quan trọng việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò Hiện nay, thường sử dụng điều khiển PID kinh điển để điều khiển mức nước bao Tuy nhiên, hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, thông số đối tượng thay đổi trình vận hành, việc chỉnh định lại hệ số PID khó khăn thường nhân viên vận hành tiến hành theo kiểu “thăm dò” tốn nhiều thời gian mà khơng tìm phương án tối ưu Đề tài nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển đại để điều khiển mức nước bao nhằm cải thiện chất lượng hệ thống 1.2 Giới thiệu lò NG – 230/9.8/540-M Lò nhà máy nhiệt điện An Khánh gồm hai lị tầng sơi tuần hoàn, tham số 230 hơi/h, bao hơi, cyclon (bộ phân ly gió xốy) lạnh làm mát hơi, thơng gió cân bằng, bố trí bán lộ thiên kèm tổ Tuabin ngưng máy phát Lị tầng sơi tuần hồn sử dụng phương thức đốt tạo sơi, kết hợp kiểu đốt trôi lị phun đốt cố định lị xích Trạng thái hố sơi tức trạng thái lưu động hạt rắn tác động khơng khí Trong lị tầng sơi tuần hồn tồn nhiều hạt liệu ghi lò, hạt liệu chịu tác động gio cấp 1, cấp tạo nên trạng thái hố sơi đồng thời thực tuần hồn ngồi bụng lị, hồn thành nhiệm vụ đốt tuần hồn Thơng thường lị tầng sơi tuần hồn nhiệt độ khoảng 850 - 900 0C, đá vơi xảy phản ứng đốt hồn tồn khiến CaCO phân giải thành CO2, SO2 sinh từ CO2 than tiến hành phản ứng tạo thành CaSO 4, thải dạng chất rắn, từ đạt mục đích khử lưu huỳnh Phương trình phản ứng đốt đá vơi: CaCO3 = CaO + CO2 - Q Phương trình phản ứng hố học khử lưu huỳnh: CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4 + Q CaCO3 = CaO + CO2 - Q CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4 + Q 1.3 Các biến trình bao - Biến điều khiển: Lưu lượng nước cấp cho bao hơi, nhiệt độ bao hơi, áp suất bao hơi; - Biến cần điều khiển: Mức nước bao hơi, lưu lượng khỏi bao hơi; - Nhiễu: Áp suất lò, nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ tỏa nhiên liệu; - Bộ điều khiển mức nước cho bao hơi: Bộ điều khiển PID Mục tiêu luận văn Trên sở nghiên cứu hệ thống trì mức nước lị điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát để đánh giá chất lượng hạn chế phương pháp điều khiển Dựa sở đó, luận văn đề xuất thiết kế điều khiển thông minh sử dụng logic mờ nhằm thay cho PID Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm điều khiển phần mềm mô Matlab - Simulink Nội dung luận văn: Chương 1: Giới thiệu điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện An Khánh; Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện; Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển PID cho lò nhà máy nhiệt điện An Khánh; Chương 4: Thiết kế điều khiển mức cho lò nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai; Kết luận kiến nghị Chương GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN AN KHÁNH Điện chiếm vị trí đặc biệt quan trọng phát triển người Nó nguồn lượng người tạo thơng qua thiết bị máy móc nguồn lượng thiên nhiên khác Tùy theo loại lượng sử dụng mà người ta chia loại nhà máy điện như: , nhà máy điện nguyên tử, nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, khai thác nguồn lượng khác để sản xuất điện nguồn lượng mặt trời, sức gió, thủy triều 1.1 Giới thiệu chung nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện Hiện giới nước ta nhà máy nhiệt điện tiếp tục xây dựng không ngừng đại hóa kỹ thuật cơng nghệ nhằm khai thác tối đa công suất giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các nguồn nhiên liệu khai thác từ thiên nhiên than đá, dầu mỏ khí dầu mỏ sử dụng để tạo nhiệt cho nhà máy nhiệt điện Hiện có hai loại hình nhà máy nhiệt điện là: - Nhà máy nhiệt điện tuabin khí - Nhà máy nhiệt điện tuabin + Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí: Khơng khí ngồi trời sau làm sạch, loại bỏ nước hệ thống ống dẫn đưa vào máy nén khí để nâng áp suất khí lên Khí có áp suất cao đưa vào buồng đốt đốt với nhiên liệu Chất khí sau đốt có nhiệt độ áp suất cao đưa vào tầng tuabin khí để sinh cơng Tuabin quay làm quay máy phát điện tao điện + Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi: Các nhiên liệu chủ yếu than nghiền đốt lị tạo nhiệt làm hóa nước giàn ống sinh hơi, sinh vận chuyển 39 TI  I1 , Tc  c1 , T1  11 hệ hở Gh ( s ) mong muốn với biểu đồ Bole cho Hình 3.2 phải là: Gh ( s )  R( s )S( s )  kh (  TI s ) s (  sT1 ) (3.3) 3.3 Thiết kế điều khiển mức cho lị Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức cho lò nhà máy nhiệt điện Khi bỏ qua khâu quán tính thiết bị đo đưa cấu trúc điều khiển phản hồi đơn vị hình 3.2, ta có: Đây đối tượng tích phân – quán tính bậc hai S( s )  k � S( s )  s(  T1 s )(  T2 s ) s(  15s )(  0.01s ) (3.4) Ta sử dụng điều khiển PID R( s )  k p (  k (  TA s )(  TB s )  TD s )  p TI s TI s Có tham số TA  TB  TI ; TATB  TD ; TA  T1 (3.5) (3.6) Vì với hệ hở có hàm truyền đạt dạng (3.3): Gh ( s )  R( s )S( s )  k p k(  TB s ) TI s (  T2 s )  k(  TB s ) % kp TB s (  T2 s ) k pTB TI k(  TB s  TB s (  T2 s ) (3.7) 40 Trong đặt: kT % kp  p B TI Do hàm truyền đạt (3.5) giống gần hoàn toàn so với (3.1) toán điều khiển đối tượng tích phân – qn tính bậc (chỉ có điểm khác biệt kT k p  p B , nên ta có thơng k p thay % TI số tối ưu đối xứng điều khiển PID: 0.5  200s (3.8) s 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink RLPID ( s )  70  3.4.1 Cấu trúc mơ phỏng: Hình 3.5: Cấu trúc mô điều khiển mức nước bao 3.4.2 Các kết mô Dactinhmucnuoc 120 100 h(m) 80 60 40 20 0 50 100 150 t(s) 200 250 300 Hình 3.6: Đặc tính mơ điều khiển mức nước bao 41 3.5 Kết luận chương Trong chương ba luận văn thực nội dung quan trọng là: Thiết kế điều khiển mức cho lò điều khiển PID, đánh giá kết tính tốn lý thuyết thông qua mô Matlab – Simulink Qua kết nêu thấy rằng: lý thuyết, mô thực tế tồn sai lệch định Do đó, điều khiển tiếp tục hiệu chỉnh để phù hợp với thực tế 42 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Bộ điều khiển PID thiết kế chương 3, chất lượng hệ thống đánh giá thông qua mô thực nghiệm cho thấy hệ thống đạt yêu cầu đặt Để nâng cao chất lượng cho hệ thống, ta sử dụng điều khiển đại thay cho PID Cụ thể điều khiển mờ lai để điều khiển mức cho đối tượng trình đa biến 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  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 như: 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* (4.1) 43 Mờ hoá tam giác cho hàm liên thuộc có dạng � � x1 - x1* � � xn - x*n � 1* * � 1khi xi - xi* �bi � � � � � μA  x  = � � b1 � � bn1 � � Khi xi - x*i > 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 khơng thể 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 - Nguyên lý trung bình: y’ = y1 + y2; y1, y2 giá trị biên miền G y1