Điều khiển mức nước bao hơi bằng bộ PID thích nghi mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGÔ THỊ MINH HƯƠNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG Phản biện 2: TS. NGUYỄN HOÀNG CẨM Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 06 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lò hơi được xem như là một bình kín và hơi nước đi ra từ lò hơi là kết quả của quá trình đốt cháy nhiên liệu . Trong các lò hơi, năng lượng hóa học của nhiên liệu dự trữ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và chính năng lượng nhiệt này được nước hấp thụ tạo thành hơi nước. Lò hơi là một thiết bị phức tạp, là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Do đó cấu trúc của 1 hệ thống điều khiển lò hơi cũng rất là phức tạp. Trong hệ thống lò hơi thì bao hơi là thiết bị quan trọng nhất với chức năng là cung cấp hơi quá nhiệt để quay tuabin và máy phát điện. Chính vì thế mà hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là một khâu rất cần thiết. Nhiệm vụ của hệ thống này là bảo đảm tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Nếu mức nước trong bao hơi quá cao vượt quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất của lò hơi, giảm nhiệt độ gây ảnh hưởng đến sự vận hành của tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp sơ với giá trị cho phép thì nhiệt độ trong lò hơi tăng, gây cháy lò hơi. Vì hệ thống lò hơi là một hệ thống phức tạp, do đó khi lò hơi vận hành thì việc điều chỉnh các thông số khó có thể thực hiện được cùng một lúc. Trong khi đó việc điều chỉnh mức nước bao hơi yêu cầu cần phải được thực hiện kịp thời để tránh xảy ra các trường hợp đáng tiếc. Do đó vấn đề đặt ra là làm thế nào đó để thiết kế một hệ thống tự động điều chỉnh mức nước trong bao hơi nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. Trong những năm gần đây, lý thuyết điều khiển mờ thích nghi đang được quan tâm và nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điều khiển trong thực tế. Trong bối cảnh việc điều khiển mức nước 2 bao hơi bằng cách sử dụng các bộ PID cổ điển thì tốn nhiều thời gian cho việc thay đổi các thông số khi có sự cố xảy ra. Do đó việc kết hợp mờ thích nghi trong việc điều khiển mức nước bao hơi là một giải pháp để cải thiện chất lượng của hệ thống lò hơi. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở tìm hiểu về đo mức nước trong bao hơi và nghiên cứu các phương pháp điều khiển mức bao hơi, luận văn tiến hành mô phỏng, phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ thống đo mức nước bao hơi. - Phương pháp điều khiển mức nước bao hơi. - Thiết kế hệ điều khiển thích nghi mờ bằng cách dùng bộ điều khiển tra bảng để điều khiển mức nước bao hơi. . - Mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng dùng phần mềm Labview. Gồm các bước như sau : - Thu thập tài liệu, bài báo, tạp chí về chủ đề liên quan. - Nghiên cứu lý thuyết về Logic mờ và việc điều khiển mức nước bao hơi. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Labview. - Xây dựng bộ điều khiển thích nghi để điều khiển mức nước bao hơi. - Mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả. 5. Bố cục đề tài Luận văn gồm các phần chính sau đây: 3 Chương 1. GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI Chương 3. ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ Chương 4. THỰC HIỆN GIÁM SÁT LÒ HƠI DÙNG PHẦN MỀM LABVIEW 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo, các luận văn thạc sỹ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các trang web tìm hiểu. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI 1.1 CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI: 1.2 ỨNG DỤNG CỦA LÒ HƠI[7] 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG 1.3.1 Bộ điều khiển PID 1.3.2 Bộ điều khiển mờ[1] 1.4 BỘ PID THÍCH NGHI MỜ 1.4.1 Cấu trúc cơ bản của bộ PID mờ 1.4.2 Khâu mờ hóa Khâu mờ hóa có nhiệm vụ chuyển một giá trị rõ hóa đầu vào 0 x thành một vector  gồm các độ phụ thuộc của các giá trị rõ đó theo các giá trị mờ ( tập mờ) đã định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào. 1.4.3 Cơ sở các luật mờ: 4 R Nếu x 1 là A 11 và … và x m là A m1 thì là B 1 R 2 Nếu x 2 là A 12 và … và x m là A m2 thì là B 2 … R n Nếu x n là A 1n và … và x m là A mn thì là B n Cho Nếu x 1 là A * 1 và … và x m là A * m Tính y là B * Hình 1.12: Các bước điều khiển mờ 1.4.4 Khâu giải mờ Bộ điểu khiển mờ tổng hợp được như trên chưa thể áp dụng được trong điều khiển đối tượng, vì đầu ra luôn là một giá trị mờ B’. Một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh phải có thêm khâu giải mờ. Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B’ thành một giá trị rõ y’ chấp nhận được cho đối tượng. Giải mờ được định nghĩa như là sự ánh xạ (sự làm tương ứng) từ tập mờ ' B trong tập cơ sở V ( thuộc tập số thực R , V  R đó là đầu ra của khối hợp thành và suy luận mờ) thành giá trị rõ đầu ra y  V . Như vậy nhiệm vụ của giải mờ là tìm một điểm rõ y  V làm đại diện tốt nhất cho tập mờ B ’ . 1.5 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 2.1 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI[7] 2.1.1 Hệ thống một phần tử 2.1.2 Hệ thống 2 phần tử 2.1.3 Hệ thống 3 phần tử 5 Hình 2.3: Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 3 phần tử[7] 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG SỐ PID 2.2.1 Thuật toán điều khiển PID theo phương pháp Ziegler– Nichols [12] 2.2.2 Thuật toán điều khiển PID theo phương pháp Tyreus- Luyben 2.3 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ( IMC) 2.3.1 Giới thiệu về điều khiển mô hình nội IMC [2] 2.3.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mô hình nội cơ bản [3] Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mô hình nội 2.4 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI DỰA VÀO THUẬT TOÁN PID [3]   sd ~   su - + + -   sr ~   sd   sy + +   sg p   sg p ~   sq   sy ~   sr 6 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Cấu trúc của bộ điều khiển IMC dựa vào PID [2] Hình 2.10: Thuật toán mô hình nội dựa vào PID 2.5 ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ( FEED BACK CONTROL) 2.5.1 Khái niệm 2.5.2 Vai trò của điều khiển phản hồi 2.5.3 Nhược điểm của điều khiển phản hồi 2.6 ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG ( FEED FORWARD CONTROL) 2.6.1 Khái niệm điều khiển truyền thẳng Hình 2.13: Cấu trúc điều khiển feedforward – cấu trúc song song   sd   sg p   su   sg c       sqsg sq p ~ 1   sr + - 7 Hình 2.14: Cấu trúc bộ điều khiển feedforward – Cấu trúc nối tiếp 2.6.2 Ưu điểm của điều khiển truyền thẳng 2.6.3 Nhược điểm của điều khiển truyền thẳng - Phải xác định được nguồn nhiễu, phải đo được chính xác nguồn nhiễu. - Trong trường hợp nhận dạng sai mô hình đối tượng và mô hình nhiễu sẽ dẫn đến sai số. - Không có khả năng ổn định những hệ không ổn định. 2.7 ĐIỀU KHIỂN TẦNG ( CASCADE CONTROL) 2.7.1 Khái niệm về điều khiển tầng cascade 2.7.2 Ưu điểm của điều khiển tầng cascade 2.8 SỰ CẦN THIẾT SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ   sk s K ksG d I pPID  (2.12) Rõ ràng, u(t) phụ thuộc vào các tham số kp , T I , T D của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ thống cũng phụ thuộc theo. Mặt khác, các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, trong quá trình tính 8 toán cũng đã tiến hành tuyến tính hoá nhiều khâu, nên khi cài đặt vào thực tế cần thường xuyên chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với các chế độ vận hành để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Quá trình chỉnh định thường thực hiện theo kiểu “thăm dò”. Từ thực tế đó và những ưu việt của bộ điều khiển mờ, để giải quyết vấn đề tự chỉnh định thích hợp các tham số của bộ điều khiển PID mà không cần “thăm dò” hay chỉnh định không tự động, ta có thể thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. 2.9 ĐIỀU KHIỂN PID MỜ [7] Hình 2.20: Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ 2.10 ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 2.10.1 Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp Hình 2.21: Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp . PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI Chương 3. ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ Chương. CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 2.1 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI[7]