Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Mục lục Nội dung Lời nói đầu Phần I: Các khái niệm ICác đáp ứng động học trình Hệ số khuyếch đại Trễ trình Thêi gian chÕt Thêi gian trƠ cđa c¬ cÊu chấp hành II- Thuật toán PID Thành phần tỉ lệ Thành phần tích phân Thành phần vi phân III- Các chức điều khiển chung Tác động thuận/nghịch Điều khiển dựa độ lệch PV IV- Các ph-ơng pháp điều khiển khác Sử dụng dải không điều chỉnh Sử dụng tín hiệu đón tr-ớc Điều khiển tầng Phần 2: Các điều chỉnh áp dụng nhà máy điện IĐiều khiển phản håi II- Sai lƯch ®iỊu khiĨn III- Bé ®iỊu khiĨn tỉ lệ IV- Bộ điều khiển tỉ lệ tích phânPI V- Bộ điều khiển tỉ lệ- tích vi phân PID VI- Bé ®iỊu khiĨn Lead-Lag PID VII- Bé ®iỊu khiĨn PD Phần 3: Các chu trình điều khiển nhà máy điện A/ Khu vực lò IĐiều chỉnh mức n-ớc bao II- Điều khiển áp lực buồng lửa III- Điều khiển l-u l-ợng nhiên liệu IV- Điều khiển nhiệt độ đầu nhiên liệu máy nghiền Tự ®éng - §iỊu khiĨn Trang 05 06 06 06 07 09 10 10 11 13 13 15 15 15 16 17 18 18 20 20 21 21 24 26 27 28 29 29 29 31 36 38 Lý thuyÕt Điều khiển nhà máy điện VVI- Điều khiển l-u l-ợng gió cấp Điều khiển nhiệt độ nhiƯt B/ Khu vùc Turbine: 40 42 44 IIIIIIIVV- §iỊu khiển tốc độ Turbine Điều khiển mức bình ng-ng Điều khiển mức bình khử khí Điều khiển mức bình gia nhiệt hạ áp cao áp Các vòng điều chỉnh hệ thống phụ turbine C/Điều khiển phối hợp tổ máy Chế độ Manual Chế độ Boiler Following Chế độ Turbine Following Chế độ điều khiển phối hợp Các chế độ điều chỉnh áp lực 44 44 46 48 49 50 50 51 53 54 57 Phần Các khái niệm I Các đáp ứng động học trình: Để hiểu đ-ợc thuật toán điều khiển hoạt động nh- nào, tr-ớc hết phải hiểu đ-ợc khái niệm động học trình Bao gồm khái niệm quan trọng sau: ã Tích phân trƠ (process Lag and Intergral) • Thêi gian chÕt (Process Deadtime) ã Hệ số khuyếch đại (Process Gain) ã Thời gian trễ đáp ứng cấu chấp hành (Hysterisis) Hệ số khuyếch đại (Gain): Gain đ-ợc hiểu l-ợng thay đổi biến trình (PV) so với thay đổi tín hiệu đầu vào (đầu cđa bé ®iỊu chØnh) Do ®ã, ë vÝ dơ d-ới đây, thay đổi l-ợng nhỏ đầu điều khiển van đầu vào dẫn đến thay ®ỉi lín møc n-íc cđa bĨ, cã nghÜa lµ hƯ số khuyếch đại lớn Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Ví dụ: Một bể chứa có l-u l-ợng đầu vào đầu ra, với l-u l-ợng đầu vào đ-ợc điều khiển van điều khiển điều chỉnh Nếu đầu điều chỉnh tăng 10%, sau mức n-ớc tăng theo l-ợng tỉ lệ Nếu giá trị 20% tổng mức bể, có nghĩa GAIN sÏ lµ: Gain = PV 20% = =2 MV 10% PV H×nh 1.1Figure 2-1 -Process ProcessGain Gain Time H×nh 1.1a- Giản đồ mức n-ớc bể Trễ trình: Trong trình tĩnh học, đầu vào tới hệ thống thay đổi biến trình(PV) thay đổi Tuy nhiên, đôi lúc đ-a PV đến mức Khoảng thời gian thay đổi gọi thời gian trễ trình(Lag) Ví dụ: Một bể n-ớc với l-u l-ợng đầu vào l-u l-ợng đầu ra, l-u l-ợng đầu vào đ-ợc điều khiển van Nếu bạn tăng l-ợng n-ớc vào bể, mức n-ớc tăng tới giá trị xác lập Thời gian đạt đ-ợc 2/3 giá trị cuối đ-ợc gọi LAG Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Hình 2.1 Trễ bậc LAG Figure 2-2 - First Order Lag PV Level Flow in Time Lag (ts) Hình 2.1a- Giản đồ mức n-ớc bể Điều đ-ợc biết nh- trễ bậc nhất, toán học hoá (trong tr-ờng hợp ví dụ mức n-ớc bể) công thức sau: Level = (Flow in - Flow out) / Area -(1) Trong ®ã: Flowout = k Pr essure - (1a) Pr essure = Level g Area = D (1b) D = Đ-ờng kính bể n-ớc (m) Do đó: Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Level = ( Flowin k Level ) -(2) (k D ) Khi møc n-ớc tăng, l-u l-ợng đầu tăng đến l-u l-ợng l-u l-ợng đầu vào mức không thay đổi Từ công thức nhận thấy, đ-ờng kính bể lớn thời gian để thay đổi mức lâu, thể tích bể lớn thời gian điền đầy bể lâu Trong tr-ờng hợp hệ thống phức tạp, có nhiều trình gồm phần tử nối tiếp nhau, với trình có hệ số lag riêng Điều đ-ợc biết nh- trễ bậc cao Hằng số thời gian khâu trễ đơn giản hoá cách cộng các giá trị trễ đơn lẻ Tính tích phân: Có vài trình không xác lập giá trị trình có nhiễu Đó trình tích phân, ví dụ nh- PV tiếp tục tăng (hoặc giảm), đ-ợc biết nh- trình Phiếm định (astatic) Nh- trình vốn đà không tự ổn định Ví dụ điều khiển nhiệt độ phản ứng hoá học Thời gian chết (Deadtime): Deadtime xảy ta thay đổi đầu vào hệ thống nh-ng thay đổi đói với giá trị PV khoảng thời gian Ví dụ: Định l-ợng pH bể Việc cấp Acid dựa đầu pH đ-ợc đo đầu khác bể Nó vài phút để thay đổi thiết bị phân tích Thời gian nµy gäi lµ thêi gian chÕt hƯ thèng Tù ®éng - §iỊu khiĨn Lý thut §iỊu khiĨn nhà máy điện Hình 3.1 Deadtime Figure 2-3 - Process Process Dead Time PV pH Dose Rate Dead Time Time (Td) Acid Dosing pH Hình 3.1a - Điều khiển pH bể Mặt khác, Deadtime đ-ợc hiểu nh- thời gian trễ vận chuyển (transportation lag) Thời gian trễ đáp ứng cấu chấp hành(Hysterisis): Đây kết cđa viƯc trƠ theo h-íng th-êng g©y bëi hép số mòn khớp nối cấu dẫn động Nếu h-ớng chuyển động cấu chấp hành thay đổi, thành phần thứ cấu chấp hành dịch chuyển không làm cho giá trị trình thay đổi nh- thành phần dịch chuyển vùng chết tr-ớc làm dịch chuyển van chắn II Thuật toán PID: Thuật toán mà thực điều chỉnh gọi số PID PID đ-ợc mmo tả thông qua hệ số điều chỉnh là: ã Hệ số tỉ lệ (Proportional- P) ã Hệ số tích phân (Integral- I) ã Hệ số vi phân (Derivative- D) Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Các hệ số thể công thức d-ới đây: MV = k ( + d dt + D ) I dt (1) Trong đó: MV: Giá trị đầu điều chỉnh MV: Giá trị thay đổi MV(MV-MVtr-ớc) = Error (PV - SP) = Giá trị thay đổi cđa sai lƯch k = H»ng sè tØ lƯ/HƯ sè khuyếch đại I = Hằng số tích phân D = Hằng số vi phân L-ợng đầu thay đổi vòng quét điều khiển mô tả: (Thay ®ỉi sai lƯch) (HƯ sè P) Céng víi 1/(Tỉng tÝch ph©n thêi gian) x (Tỉng sai lƯch) (H»ng sè I) Cộng với (Hằng số vi phân) x (Tốc độ thay ®ỉi cđa ®é lƯch) ( H»ng sè D) Thµnh phÇn tØ lƯ: MV = k (2) HÖ số tỉ lệ đáp ứng thay đổi sai lệch Đó là, độ sai lệch thay ®ỉi 10% tõ mét vßng qt cđa bé ®iỊu chØnh đến vòng quét (th-ờng giây), sau đầu điều chỉnh thay đổi 10%(nhân víi hƯ sè tØ lƯ k) VÝ dơ, chóng ta điền đầy n-ớc vào bể, cố gắng điều chỉnh mức đến giá trị đặt tr-ớc Chúng ta hÃy nói hệ số tỉ lệ đ-ợc đặt 1(k=1) Sau Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện mức n-ớc tăng lên 10% khoảng thời gian, đầu tíi van ®iỊu khiĨn sÏ më 10% L-u ý ë rằng, nói tăng mức n-ớc Nh-ng t-ơng ứng với độ sai lệch Mức- Giá trị đặt Mức Tuy nhiên, giá trị đặt trì số khác biệt việc thay đổi độ lệch thay đổi giá trị PV(trong tr-ờng hợp mức n-íc) Proportional Band: Ng-êi ta th-êng sư dơng hƯ sè tØ lƯ(k) gièng nh- PB Quan hƯ gi÷a hai hƯ sè nµy lµ: PB = 100/k - (3) PB cµng nhỏ điều khiển nhạy (nếu PB=50% k=2), ng-ợc lại PB lớn độ nhạy điều chỉnh giảm(nếu PB=200% k=0.5) Offset: L-u ý mét ®iỊu r»ng hƯ sè tØ lƯ chØ ®¸p øng ®èi víi sù thay ®ỉi ®é sai lƯch Do đó, thay đổi độ lệch (delta Error=0) thay đổi đầu Nói cách khác có sai lệch nh-ng điều chỉnh không thay đổi đầu theo sai lệch độ sai lệch không tự thay đổi §iỊu nµy cã nghÜa lµ, hƯ sè tØ lƯ chØ tác động có Offset giá trị yêu cầu (SP) giá trị trình thực tế (PV) Hệ số bị giảm việc tăng hệ số khuyếch đại(gain) điều chỉnh Tuy nhiên, hệ số khuyếch đại lớn, đầu dẫn đến điều chỉnh thay ®ỉi nhá cđa PV, dÉn ®Õn mÊt ỉn ®Þnh ThØnh thoảng không cần thiết việc để điều chØnh PV ®Õn víi SP mong mn, nh- møc bĨ, nh-ng th-ờng quan trọng, điều có nghĩa dùng hệ số tỉ lệ không thoả mÃn nhiều ứng dụng điều khiển Thành phần tích phân: MV = k dt - (4) I Hệ số tích phân đáp ứng tổng giá trị sai lệch Nói cách khác, có sai số, đầu tăng (hoặc giảm) møc theo mét tØ lƯ víi ®é lín cđa sai lệch Tự động - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện Ví dụ: Nếu mức bể cao điểm đặt (SP) 10%, hệ số tỉ lệ 1(k=1), số tích phân giây (I=1 sec), đầu tới van tăng theo tỉ lệ 10% giây Có số khác hệ số tích phân th-ờng đ-ợc sử dụng để định gnhĩa thời gian tích phân Gồm Reset Rate vµ Repeat Rate Nã cã ý nghÜa gièng nh- thời gian tích phân Đôi nghịc đảo thời gian tích phân Hệ số th-ờng đ-ợc gọi lµ Minutes per Repeat Minutes per Repeat= 1/ I, víi I tính phút Thành phần vi phân: MV = k D d - (5) dt Thµnh phần vi phân đ-ợc biết nh- thành phần dự báo tr-ớc Nó tính toán tốc độ thay đổi sai lƯch Nh- vËy nÕu ®é lƯch thay ®ỉi tõ 10% đến 20% giây, tốc độ thay đổi 10% giây Nó không quan tâm đến giá trị tuyệt đối sai lệch, nh-ng quan tâm đến tốc độ thay đổi h-ớng Ví dụ, mức bể giảm 1% vòng quét điều chỉnh, đầu điều khiển đến van giảm 1% t-ơng ứng với hệ số tỉ lệ 1(k=1) Nếu mức bể giảm giá trị khác 1% vòng quét tác động đến đầu giảm giá trị khác 1% Bây giờ, thành phần vi phân không thấy đ-ợc tốc độ thay đổi mức bể giảm, thành phần vi phân tác động đến đầu Tuy nhiên, mức giảm 2% vòng quét tiếp theo, tốc độ thay đổi tăng mà mức giảm 1% Nếu số vi phân giây(D=1) đầu điều chỉnh tăng 1% Khi thành phần tỉ lệ tác động đến đầu giảm 1% thành phần vi phân huỷ bỏ việc tăng với đầu khác ví dụ Khả đoán tr-ớc: Khi thấy ví dụ trên, thành phần vi phân đại l-ợng đón tr-ớc Đó là, không giống nh- thành phần tỉ lệ mà phản ứng với giá trị tuyệt đối sai lệch, thành phần vi phân phản ứng nhanh với thay đổi sai lệch giảm giá trị ®iỊu chØnh (overshoot) vßng ®iỊu chØnh Tù ®éng - Điều khiển Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện - Derivative Action in phân Control Loop Hình Figure 3.1 Tác1động thành phần vi vòng điều khiển E = 1% (E) = 9% PV E = 10% Time Nhiễu loạn: Thành phần vi phân sử dụng vòng điều khiển nhanh có nhiễu Thành phần vi phân phản ứng với thay đổi tức thời nào, việc tính toán đầu không xác thực dựa độ dốc tức thời Do đó, thành phần vi phân không sử dụng vòng điều khiển l-u l-ợng, hầu hết vòng điều khiển áp suất điều khiển mức bể nhỏ Nó đ-ợc áp dụng chủ yếu điều khiển nhiệt độ buồng lửa lò nung III Các chức điều khiển chung: Tác động thuật/ nghịch: Lý thuyết: Sai lệch đ-ợc tính toán theo hai cách: Error = PV-SV (chiều thuận) Error = SV-PV (chiều nghịch) Tuỳ thuộc vào việc lựa chọn mà điều chỉnh tác động theo h-ớng khác nhau, nh- sau: ã Điều khiển tác động thuận: Nếu PV tăng SV đầu điều chỉnh(MV) tăng ã Điều khiển tác động ng-ợc: Nếu PV tăng SV MV giảm Tự động - Điều khiển 10 .. .Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện VVI- Điều khiển l-u l-ợng gió cấp Điều khiển nhiệt độ nhiệt B/ Khu vực Turbine: 40 42 44 IIIIIIIVV- Điều khiển tốc độ Turbine Điều khiển mức bình ng-ng Điều. .. ứng điều chỉnh tỉ lệ Trong nhà máy điện điều chỉnh tỉ lệ ứng dụng trình sau: - Điều tốc Turbine * - Mức bình khử khí ** - Mức bình ng-ng ** Tự động - Điều khiển 17 Lý thuyết Điều khiển nhà máy. .. thêm vào đầu điều chỉnh để đáp ứng nhanh Ví dụ, điều khiển lò hơi, l-u l-ợng lò Tự động - Điều khiển 12 Lý thuyết Điều khiển nhà máy điện tăng, bạn biết mức n-ớc bao giảm Bộ điều khiển phản ứng