Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ******************&&&******************  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học viên: Dƣơng Mạnh Hòa Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Võ Quang Vinh Thái nguyên năm 2009 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn MC LC Mc lc .1 Danh mc cỏc hỡnh v v th .3 M u 5 Chng1: M u 10 1.1 Gii thiu chung 10 1.1.1. iu khin quỏ trỡnh .10 1.1.2 Cỏc tớnh cht ca h iu khin quỏ trỡnh 11 1.2 Cu trỳc c bn ca h iu khin quỏ trỡnh 15 1.2.1. C cu chp hnh .15 1.2.2. Cỏc cm bin: .18 1.2.3. Cỏc cm bin ỏp lc: . .22 1.3.c im iu khin quỏ trỡnh gia nhit22 1.4.Kt lun .23 Chng 2 : Tng quan v phng phỏp iu khiờn hin i iu khin quỏ trỡnh .24 2.1 .t vn 24 2.2. Cỏc phng phỏp iu khin c bn 24 2.2.1 Phng phỏp iu khin truyn thng 24 2.2.2 Phng phỏp iu khin phn hi31 2.2.3. Phng phỏp iu khin t l .41 1.2.4 Phng phỏp iu khin tng .47 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.5 Phng phỏp iu khin suy diễn 50 2.2.6 Phng phỏp iu khin la chn .51 2.2.7 Phng phỏp iu khin . . . . 52 2.3 Cỏc phng phỏp iu khin hin i .53 2.3.1 Phng phỏp iu khin thớch nghi .53 2.3.1.1Khỏi nim chung ca h thng iu khin thớch nghi . . .53 2.3.1.2 iu khin thớch nghi trc tip v giỏn tip . . .55 2.3.1.3 H thng iu khin thớch nghi t chnh . . 59 2.3.2 Phng phỏp iu khin m 61 2.3.2.1S khi ca b iu khin m .62 2.3.2.2. B iu khin m tnh .64 2.3.2.3. B iu khin m ng .64 2.3.2.4. H iu khin m lai F-PID 67 2.4. kt lun .69 Chng 3 : p dng phng phỏp iu khin hin i cho quỏ trỡnh gia nhit 71 t vn .71 3.1i tng 71 3.2 Thit k s iu khin h thng .72 Chng 4. Mụ phng h thng 86 Kt lun 89 Ti liu tham kho .90 DANH MC HèNH V Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 3 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chng1: M u Hỡnh 1.1: S kinh in ca cu trỳc iu khin quỏ trỡnh Hỡnh 1.2: Hm truyn ca quỏ trỡnh cú tớnh t cõn bng Hỡnh 1.3: Hm truyn ca quỏ trỡnh khụng cú tớnh t cõn bng Hỡnh 1.4 cu trỳc c bn ca h iu khin quỏ trỡnh Hỡnh 1.5: Van tit lu Hỡnh 1.6: Van tit lu cõn bng ỏp hỡnh 1.7 van servo con trt Hỡnh1.8: Van servo tm chn Hỡnh 1.9: Can nhit in Hỡnh1.10: Cu trỳc h thng o ỏp sut t ng Chng 2 : Tng quan v phng phỏp iu khiờn hin i iu khin quỏ trỡnh Hỡnh2.1.Cu trỳc tng quat ca h iu khin truyn thng Hỡnh2.2 Cu hỡnh ni tip v cu hỡnh song song Hỡnh 2.3c tớnh iu khin cho vớ d2.1 Hỡnh 2.4 iốu khin mc sỏch lc truyn thng Hỡnh 2.5 iu khin thit b gia nhit hi nc Hỡnh 2.6. Cu trỳc tng quat ca h iu khin phn hi Hỡnh 2.7 Hai cu hỡnh iu khin phn hi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hỡnh 2.8.iốu khin mc sỏch lc phn hi Hỡnh 2.9. Mụ phng iu khin mc vi h s kc khỏc nhau Hỡnh 2.10 Hai cu hỡnh iu khin t l Hỡnh2.11 H thng trao i nhit trc lu Hỡnh 2.12 hai cu trỳc ca iu khin tng Hỡnh 2.13 s khi h thng iu khin thớch nghi. Hỡnh 2.14 s khi h thng iu khin thớch nghi giỏn tip. Hỡnh 2.15 S khi h thng iu khin thớch nghi trc tip . Hỡnh 2.16 H thng iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh chun Hỡnh 2.17 H thụng iu khin thớch nghi t chnh. Hỡnh 2.18 s khi ca b iu khin m. Hỡnh 2.19 H iu khin m theo lut PI Hỡnh 2.20 H iu khin m theo lut PD Hỡnh 2.21 H iu khin m PID Hỡnh 2.22 Cỏc vựng tỏc ng ca FLC v PID. Hỡnh 2.23 vựng tỏc ng ca cỏc b iu chnh PID Chng 3 : p dng phng phỏp iu khin hin i cho quỏ trỡnh gia nhit Hỡnh 3.1 M hnh h thng Hỡnh 3.2 S h thng iu khin Hỡnh 3.3 Cu trỳc van nc lnh Hỡnh 3.4 Cu trỳc van nc núng Hỡnh 3.5 Khõu lu tc t trc Hỡnh 3.6 Khõu nht t trc Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 5 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hỡnh 4.1 Lu tc dũng nc Hỡnh 4.2 Nhit bn nc Hỡnh 4.3 Van nc lnh Hỡnh 4.4 Van nc núng Chng 4 Mụ phng h thng Hỡnh 4.1To lp cc hm lin thuc cho bin vo Hỡnh 4.2 To lp cỏc hm liờn thuc cho bin ra Hỡnh 4.3lut iu khin trong khụng gian Hỡnh 4.4 S SimulinK Hỡnh 4.5 ỏp ng nhit Hỡnh 4.6 ỏp ng lu tc Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn Li núi u iu khin quỏ trỡnh l mt lnh vc quan trng ca k thut iu khin trong cỏc ngnh cụng nghip nng lng v húa cht( gi chung l cụng nghip ch bin, process industry).Ni dung ca lnh vc iu khin quỏ trỡnh kt ni cht ch nn tng ca lý thuyt diu khin t ng vi cỏc bi toỏn ca quỏ trỡnh cụng ngh. Phm vi cp c th õy l cỏc bi toỏn mụ hỡnh húa, phõn tớch, thit k v thc thi h thng iu khin cho cỏc i tng l quỏ trỡnh cụng ngh. iu khin quỏ trỡnh khụng phi l mt lnh vc mi nhng luụn chim v trớ quan trng hng u trong t ng húa cụng nghip.Khỏc vi nhng nghng cụng nghip ch to, ngy nay bt c mt nh mỏy xi mng, mt nh mỏy in hay mt nh mỏy lc du no cng khụng th vn hnh c nu thiu h thng iu khin t ng. Quỏ trỡnh ton cu húa gn õy to ra nhiu th trng tiờu dựng mi, ng thi gia tng s cnh tranh mnh m gia nhiu tp on sn xut. Cỏc doanh nghip buc phi nõng cao mc t ng húa dõy chuyn sn xut tng nng sut, cht lng sn phm v h giỏ thnh sn xut. Sc ộp gim s dng nguyờn liu thụ (yờu cu tỏi ch), gim tiờu th nhiờn liu v kh nng thớch ng nhanh vi yờu cu th trng buc cỏc k s phi a ra nhng thit k quỏ trỡnh cụng ngh mi thớch hp hn, nhng ng thi cng t ra nhng yờu cu cao hn cho h thng iu khin t ng v cho nhng ngi k s thit k iu khin. nhỡn t mt gúc khỏc, nhng tin b v cụng ngh thit b iu khin( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trng,) ngy cng to iu kin thun li hn cho vic ci t cỏc sỏch lc v thut toỏn iu khin tiờn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn tin.mt iu ỏng núi l trong khi cụng ngh sn xut hoc cụng ngh thit b iu khin cú th lc hu ch sau 10-15nm, c s phng phỏp lun cho thit k h thng iu khin quỏ trỡnh vn gi nguyờn giỏ tr sau hng na th k-tt nhiờn c b sung v phỏt trin trờn mt tm cao mi Vỡ vy vic nghiờn cu ng dng phng phỏp iu khin hin i iu khin quỏ trỡnh gia nhit l mt vn ht sc quan trng v cp thit. Do vy, tụi chn ti: "Nghiờn cu ng dng phng phỏp iu khin hin a nõng cao cht lng iu khin quỏ trỡnh gia nhit " vi mc ớch nghiờn cu nh sau: 1. Nghiờn cu cỏc phng phỏp iu khin c bn v hin i iu khin quỏ trỡnh gia nhit 2. Nghiờn cu ng dng iu khin m cho h iu khin nhit v lu tc bn nc T ú, ti tp trung nghiờn cu cỏc vn chớnh, c chia thnh 3 chng nh sau: Chng 1. M u Chng ny nghiờn cu cỏc kin thc chung v iu khin quỏ trỡnh, cu trỳc c bn ca h thng iu khin quỏ trỡnh, cỏc thit b trong h thng iu khin quỏ trỡnh Chng 2:Tng quan v phng phỏp iu khiờn hin i iu khin quỏ trỡnh Chng ny nghiờn cu cỏc phng phỏp iu khin c bn v hin i, phõn tớch th mnh ca nú t ú la chn phng phỏp iu khin cho quỏ trỡnh gia nhit Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chng 3 p dng phng phỏp iu khin hin i cho quỏ trỡnh gia nhit Chng ny nghiờn cu tng hp b iu khin m cho i tng c th l nhit v lu tc bn nc. Chng 4 Mụ phng h thng Mụ phng bng Matlap . Phõn tớch cỏc kt qu t c, a ra cỏc kt lun Trong quỏ trỡnh lm lun vn, tụi ó c s giỳp , ch bo tn tỡnh ca thy giỏo, TS. Vừ Quang Vinh , ging viờn khoa in, Trng i hc KTCN Thỏi Nguyờn. Xin gi ti thy li cm n chõn thnh v sõu sc nht. Tụi cng nhn c s h tr rt nhiu t cỏc thy cụ giỏo trong Khoa in, trng i hc KTCN Thỏi Nguyờn cng nh t gia ỡnh, bn bố. Xin trõn trng cm n Thỏi Nguyờn, ngy .thỏng .nm 2009 Dng Mnh Ho Luận văn thạc sỹ kỹ thuật S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn Li cam oan Tụi xin cam oan nhng kt qu trong lun vn c xõy dng hon ton l do bn thõn tụi nghiờn cu v thc hin di s hng dn ca thy giỏo v tham kho cỏc ti liu ó c trớch dn. Hc viờn Dng Mnh Ho [...]... K u + Bộ điều khiển G +y + a) Cấu hình song song Quá trình d Gd - r + Gd K Bộ điều khiển u G +y + b) Cấu hình nối tiếp Quá trình Kí hiệu r biến chủ đạo, giá trị đặt y biến đ-ợc điều khiển u biến điều khiển d nhiễu quá trình G mô hình đối t-ợng Gd mô hình nhiễu K khâu truyền thẳng K d khâu bù nhiễu Hình 2.2 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng Ta cú th nhn thy mt iu thỳ v l s i xng gia mụ hỡnh... la chon phng phỏp iu khin nõng cao cht lng h iu khin quỏ trỡnh 2.2.Cỏc phng phỏp iu khin c bn 2.2.1 iu khin truyn thng 2.2.1.1Cu trỳc c bn v b iu khin lý tng Cu trỳc tng quỏt ca iu khin truyn thng c minh ha trờn hỡnh 2.1 nhiễu quá trình biến chủ đạo (giá trị đặt) Bộ điều khiển truyền thẳng biến điều khiển Quá trình biến cần điều khiển Hình 2.1 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng c im c bn... hiệu G mô hình tổng quát K bộ điều khiển tổng quát w các đầu vào quá trình( gồm cả nhiễu đo) z Các đầu ra cần đ-ợc kểm soát y Các đầu vào bộ biến đổi u các tín hiệu điều khiển Hình 2.6 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi Theo mụ hỡnh Hai cu hỡnh iu khin phn hi thụng dng c minh ha trờn hỡnh 2-7 Trong cu hỡnh iu khin mt bc t do, b iu khin thc hin lut iu khin da trờn sai lch gia giỏ tr quan sỏt... giỏ tr t 1 0.5 0.5 Controled Input u Controled Output y 1 0 -0.5 -1 0 2 4 6 8 Times (sec) 0 -0.5 10 a) Đáp ứng đầu ra -1 0 2 4 6 8 Times (sec) 10 b) Đáp ứng đầu ra Hình 2.3 Đặc tính điều khiển cho ví dụ 2-1 i) bộ điều khiển không ổn định ii) bộ điều khiển không ổn định, hạn chế đầu ra iii) bộ điều khiển xấp xỉ (bù tĩnh) i tng khụng n nh Mt b iu khin truyn thng khụng cú kh nng n nh mt quỏ trỡnh khụng n... mt thi gian nhit u ra T c a ti gn vi giỏ tr t TSP Trng hp ngc li, khi nhit u ra ln hn giỏ tr t cng c s lý cựng thut toỏn, khụng cn phõn bit 33 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn Dng Mnh Ho http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hơi n-ớc ws TC Tsp Bộ ĐK wp T1 FT Dòng quá trình wp,T1 T2 ws Bộ gia nhiệt T2 T b) Sơ đồ khối a) L-u đồ P&ID Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi... trỡnh gia nhit Quỏ trỡnh gia nhit l mt bi toỏn tiờu biu ca iu khin quỏ trỡnh c ng dng rng rói trong cỏc nh mỏy hoỏ cht , cụng ngh thc phm ung vv Minh ha sỏch lc iu khin qúa trình gia nhit Nhit ra ca dũng quỏ trỡnh c thit b o v chuyn i a ti b iu khin nhit Da vo sai lch gia giỏ tr t v nhit o c, b iu khin a ra tớn hiu iu chnh b m van cp nc qua ú iu chnh li nhit ra Nguyờn lý iu khin quá trình gia nhiệt. .. khn vỡ iu khin quỏ trỡnh cú nhng c tớnh: Nhng c im ca quỏ trỡnh: Thng c th hin di 4 c tớnh sau: - Thi gian cht quỏ trỡnh (Process Dead time) - Tr quỏ trỡnh (Process Lag) - H s khuych i ca quỏ trỡnh (Process gain) - Nhiu quỏ trỡnh (Process disturbances) - Thi gian cht quỏ trỡnh: ú l khong thi gian gia s thay i trong tớn hiu u vo n h thng iu khin quỏ trỡnh v ỏp ng ca tớn hiu Hin tng ny luụn luụn khụng... trt thay i v trớ theo tớn hiu iu khin i vi van servo tm chn v van servo vũi phun thỡ lu lng qua van t l vi ỏp sut ra Con tr-ợt điều khiển Cơ cấu đẩy kéo P Con tr-ợt chính A P B Vũi phun Vũi phun Tm chn Hỡnh1.8: Van servo tm chn Hỡnh 1.8 mụ t cu to ca van servo tm chn Tm chn nm gia hai vũi phun gn vi hai ng cp du vo con trt chớnh Khi c cu kộo y y tm chn v phớa no thỡ ỏp lc phớa y tng lờn, y con trt v... s dng gn nh trong tt c cỏc h thng iu khin t ng 2.2.2.1 iu khin thit b gia nhit hi nc Hỡnh 2-5 minh ha sỏch lc iu khin phn hi cho thit bị gia nhit hi nc trờn lu P&ID (a) v trờn s khi (b) Nhit ra ca dũng quỏ trỡnh c thit b o v chuyn i TT (temperature transmitter) a ti b iu khin nhit TC ( temperature controller ) Da vo sai lch gia giỏ tr t ( SP) v nhit o c, b iu khin a ra tớn hiu iu chnh b m van... G(u+du) +Gdd = Gdu (2.13) Ta xột tip vớ d iu khin bỡnh mc minh ha trờn hỡnh 2-4 31 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn Dng Mnh Ho http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật SP FT Hình 2.4 Điều khiển mức sách l-ợc truyền thẳng (bù nhiễu) Thot u cú th thy rng ch cn duy trỡ lu lng vo ỳng bng lu lng ra thỡ mc cht lng s c gi c nh trong bỡnh Tuy nhiờn, tỏc ng ca nhiu cú th s lm sỏch lc ny khụng . SỸ KỸ THUẬT TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT Chuyên ngành :. Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG