L ỜI MỞ ĐẦU
3.2.3. Mô hình hóa bộ quá nhiệt và van cấp hơi
trong đó CD là hằng sốđược xác định từ các thông số hoạt động thực tế của bao hơi.
Chuyển sang miền ảnh Laplace sẽ thu được mô hình biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng hơi
đưa ra và áp suất trong bao hơi (PD).
w s . . D D 1 P m m C s ⎛ ⎞ = ⎜ − ⎟ ⎝ ⎠ (3.22)
3.2.3. Mô hình hóa bộ quá nhiệt và van cấp hơi
Hơi bão hòa lấy ra từ bao hơi sẽ được đưa qua lần lượt một số bộ quá nhiệt để tạo thành hơi quá nhiệt đưa đi quay tuabin. Quá trình trên ẩn chứa rất nhiều các quan hệ về thể tích, nhiệt độ, áp suất,…Tuy nhiên các phần dưới đây chỉ được dành để xây dựng mối quan hệ
giữa các thông số áp suất và yếu tố lưu lượng hơi.
Bộ quá nhiệt QN1 QN2 QN3 van cấp hơi Hình 3-7: Minh họa cấu trúc bộ quá nhiệt và van cấp hơi quá nhiệt
Nếu loại bỏ các nhiễu loạn sinh ra do biên dạng thành ống và bộ quá nhiệt ảnh hưởng
đến tốc độ của hơi đi qua thì ta có s
.
m không đổi dọc theo bộ quá nhiệt. Trong trường hợp này ta sẽ có: 2 . D T s P P =P + ⎜ ⎟⎛⎝m ⎞⎠ K (3.23) Trong đó: PT - áp suất hơi trong bao hơi
PT - áp suất hơi ở phía sau bộ quá nhiệt
KP - hệ số tỉ lệđược xác định từ các thông số vận hành thực tế của bộ quá nhiệt.
Bao hơi
Viết lại phương trình (3.23) thành : . s P D T m =K P −P (3.24) Ta có: S T . . T SH 1 P (m m )dt C = ∫ −
Chuyển sang miền Laplace ta có hàm:
m m C s P SH T s T . 1 = − & & (3.25) trong đó T .
m là tốc độ hơi đưa ra tuabin, khi tham gia vào công thức thể hiện ảnh hưởng quay trở lại của nó đến áp suất hơi ở phía trước van.
Với CV là độ mở van cấp hơi quá nhiệt ta có sơđồ sau :
Hình 3-8: Sơđồ mô hình toán học bộ quá nhiệt và van cấp hơi
3.2.4. Mô hình cả hệ thống
Từ các biểu thức (3.9), (3.11), (3.12), (3.13), (3.14), (3.22), (3.24), (3.25) sẽ xây dựng
được mô hình toán học cho bao hơi, trong đó:
+ Đầu vào là độ mở van nhiên liệu và độ mở van cấp hơi. + Đầu ra là áp suất hơi quá nhiệt và lưu lượng hơi quá nhiệt.
Hình 3-9 : Sơđồ mô hình toán học của hệ thống bao hơi
3.3 Mô phỏng và kiểm chứng tính ổn định mô hình lò hơi
Căn cứ theo các biểu thức toán học được biến đổi trong phần trước,đặc biệt là các biểu thức (3.9), (3.11), (3.12), (3.13), (3.14), (3.22), (3.24), (3.25), ta sẽ sử dụng phần mềm MATLAB-SIMULINK để mô phỏng mối quan hệ áp suất hơi và lưu lượng nhiên liệu/lưu lượng hơi ra trong hệ thống bao hơi,gồm có :
+Mô phỏng bộ phận đốt nhiên liệu +Mô phỏng bao hơi
+Mô phỏng bộ quá nhiệt và van cung cấp hơi đầu ra
3.3.1 Sơđồ mô phỏng
a. Mô phỏng mô hình bộ phận đốt nhiên liệu
Mô hình mô phỏng được thực hiện theo biểu thức (3.9) như sau :
Hình 3-10 : Sơđồ mô phỏng mô hình bộ phận đốt nhiên liệu
Khâu Fuel_inertia đặc trưng cho tính chất quán tính của hệ thống đốt nhiên liệu Khâu Fuel_delay đặc trưng cho độ trễ của hệ thống đốt nhiên liệu.
b. Mô phỏng mô hình bao hơi
Mô hình quá trình truyền nhiệt qua thành ống sinh hơi vào nước được xác định theo các biểu thức (3.11), (3.12), (3.13).Sơđồ mô phỏng như sau :
Hình 3-11: Sơđồ mô phỏng mô hình hấp thụ nhiệt tại đường ống sinh hơi
+ KT, Kw và 1/CM là các khâu khuếch đại, Integrator là khâu tích phân
+ Đầu vào là nhiệt lượng sinh ra do quá trình cháy.Yếu tố độ chênh áp suất thêm vào phản ánh tác động của nó đến quá trình động học hấp thụ nhiệt của nước.
+ Đầu ra là nhiệt lượng được hấp thụ vào nước thông qua thành ống sinh hơi.
Dựa vào các biểu thức (3.14) và (3.22) ta có sơ đồ mô phỏng quan hệ lưu lượng hơi sinh trong thành ống, nhiệt lượng hấp thụ, lưu lượng hơi ra và áp suất như sau:
+ KH và 1/CD là các khâu khuếch đại, Integrator là khâu tích phân, Product là khâu nhân tín hiệu.PDo là áp suất đặt của bao hơi.
+ Sơđồ phản ánh quan hệ giữa các tham số áp suất trong bao hơi, lưu lượng hơi bão hòa ra khỏi bao hơi, áp suất hơi quá nhiệt tại ban cấp hơi, nhiệt lượng hấp thụ trong nước.
c. Mô hình bộ quá nhiệt và van cấp hơi
Dựa vào các biểu thức (3.23), (3.24) và (3.25) ta xây dựng được sơđồ mô phỏng sau :
Hình 3-13 :Sơđồ mô phỏng mô hình bộ quá nhiệt và van cấp hơi quá nhiệt
+ Abs là khâu trị tuyệt đối, Sqrt là khâu căn bậc hai.
+ CV là độ mở van hơi quá nhiệt, Integrator là khâu tích phân, 1/CSH là khâu khuếch
đại.
+ Sơđồ cho thấy mối quan hệ giữa các tham số lưu lượng hơi bão hòa ra khỏi bao hơi, lưu lượng hơi quá nhiệt vào tuabin, áp suất hơi quá nhiệt.
d. Mô hình của cả hệ thống
+ Đầu vào: độ mở van nhiên liệu, độ mở van cấp hơi quá nhiệt. + Đầu ra: áp suất hơi quá nhiệt (PT ), lưu lượng hơi quá nhiệt.
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên Hình 3-15 : Sơđồ mô phỏng mô hình cả hệ thống bao hơi
Tính toán các thông số có trong sơđồ mô phỏng
Theo tham số làm việc của một bao hơi cụ thể: công suất ra 270MW, áp suất bao hơi 2640 psi. Ta dùng MATLAB-SIMULINK để mô phỏng.
Hình 3-16 : Các tham số của bao hơi
Thông số Ký hiệu Chú thích
Tf Tful Hằng số thời gian bộ phận đốt nhiên liệu
τ Tdful Thời gian trễ bộ phận đốt nhiên liệu CM CM Hệ số hấp thụ nhiệt đường ống sinh hơi KW KW Hệ số truyền nhiệt đường ống sinh hơi
KT KT Hệ số tỷ lệ giữa áp suất và nhiệt độ trong đường ống sinh hơi
KH KH Hệ số phản ánh mối quan hệ giữa biến thiên entanpi trong bao hơi theo áp suất.
CD CD Hằng số thời gian của bao hơi K K Hệ số tụt áp dọc theo bộ quá nhiệt CSH CSH Hằng số thời gian bộ quá nhiệt
Lò hơi hoạt động ở 2 chếđộ là khởi động và bình thường (liên tục0 Chếđộ khởi động:
- Người ta chỉ sử dụng chếđộ này khi lò hơi ngừng hoạt động để xử lý sự cố hay vệ sinh. Ở chếđộ này người ta sử dụng bộđiều khiển riêng để khởi động. Trong giới hạn đề tài luận văn này ta không xét đến chếđộ này mà chỉ xét đến chếđộ hoạt động bình thường.
Chếđộ bình thường:
Là chếđộ hoạt động liên tục của lò hơi. Độ mở van nhiên liệu và van cấp hơi quá nhiệt thường là 80%. Dưới đây là đồ thị mô phỏng bằng Matlab áp suất bao hơi, áp suất hơi quá nhiệt và lưu lượng hơi. Đồ thị xác lập ở trạng thái vô cùng cho thấy hệ thống ổn định và kiểm chứng tính đúng đắn của hệ thống.
Hình 3-18 : Đồ thị lưu lượng hơi vào tuabin (lbs/s)
Nhận xét: khi ta cho tải thay đổi ở giây thư 500(lưu lượng hơi tăng) và 800 (lưu lượng hơi giảm) thì áp suất hơi quá nhiệt thay đổi tương ứng là giảm đi (ở giây thứ 500) và tăng lên (ở
giây thứ 800) và xác lập tại giá trị cố định => chứng minh tính ổn định và đúng đắn của hệ
CHƯƠNG 4. ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT LÒ HƠI BẰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN VÀ PID MỜ
1.1 Luật điều khiển PID
Như ta đã biết phương trình toán học (hay bộ điều khiển) PID trên của miền thời gian là: dt t de K dt t e K t e K t u()= p ( )+ I∫ () + D () Trong đó: KP: Hệ số tỷ lệ KI: Hệ số tích phân KD: Hệ số vi phân
e(t): Đầu vào của bộđiều khiển u(t): Đầu ra của bộđiều khiển
Nếu biểu diễn trên miền LAPLACE thì hàm truyền của bộđiều khiển PID là:
s K s K K s E s U s = = P+ I 1+ D ) ( ) ( ) ( WPID Ảnh hưởng của các thành phần Luật điều khiển tỷ lệ (P): ) ( ) (t K et u = p Trong đó Kp hệ số khuyếch đại tỷ lệ.
Luật điều khiển tỷ lệ là luật điều khiển mà tín hiệu ra tỷ lệ với tín hiệu vào. Quy luật này làm việc ổn định với tất cả các đối tượng, tốc độ tác động nhanh. Nhưng khi làm việc với các đối tượng tĩnh thì hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Muốn làm giảm sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuyếnh đại nhưng khi đó tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và hệ
thống dễ mất ổn định.
Luật điều khiển tích phân (I):
∫
=K e t dt t
u() I ()
Trong quy luật tích phân tín hiệu ra được xác định bằng tích phân của tín hiệu vào. Nó có ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh nhưng tác động chậm(tín hiệu ra chậm pha so với tín hiệu vào)vì vậy hệ thống kém ổn định. Luật điều khiển vi phân (D): dt t de K t u( )= D () Trong đó KD là hệ số vi phân
Trong quy luật này tín hiệu ra được xác định bằng vi phân của tín hiệu vào. Nó có ưu điểm là tác động rất nhanh, rút ngắn được thời gian quá độ nhưng nhược điểm lớn nhất là lượng quá điều chỉnh thường vượt quá trị số cho phép và phản ứng với các nhiễu cao tần.
Luật điểu khiển tỷ lệ tích phân (PI)
∫
+
=K et K e t dt t
u() p ( ) I ()
Quy luật này vừa tác động nhanh (nhanh hơn quy luật tích phân nhưng chậm hơn quy luật tỷ lệ) vì triệt tiêu được sai lệch tĩnh nên quy luật này được sử dụng rộng rãi và đáp ứng
được chất lượng của nhiều quy trình công nghệ. Tuy nhiên nếu đối tượng có những tác
động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác điều chỉnh cao thì quy luật này không đáp ứng được.
Luật điểu khiển tỉ lệ-vi phân (PD)
dt t de K t e K t u()= p ()+ D ( )
Có thêm thành phần vi phân làm tăng nhanh tốc độ tác động( nhanh hơn cả quy luật tỷ lệ), nhưng thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần có biên độ nhỏ mà không làm giảm sai lệch dư. Vì vậy chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi tốc độ tác động nhanh (điều khiển tay máy).
Luật điểu khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân (PID)
dt t de K dt t e K t e K t u()= p ( )+ I∫ () + D ()
Đây là quy luật hoàn hảo nhất đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ. Nhưng hiệu chỉnh tham số của nó rất phức tạp đòi hỏi người sử dụng phải
có trình độ nhất định, vì vậy nó chỉ sử dụng ở những nơi cần thiết mà quy luật PI không đáp
ứng được yêu cầu về chất lượng điểu chỉnh.
Mục tiêu của chúng ta là tuỳ thuộc vào cấu trúc của đối tượng điều khiển là các yêu cầu cụ thể mà chọn các quy luật điều khiển ở trên một cách hợp lý. Để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào đối tượng điều khiển sao cho tín hiệu đầu ra của đối tượng điều khiển y(t) phải tiến tới giá trịđặt hay đặc tính quá độ y(t) phải tiến đến một giá trị xác lập. Tuy nhiên với các luật điểu khiển khác nhau thì các thông số của quá trình quá độ như : σmax (lượng quá điểu chỉnh), n(số lần giao động), Tmax (thời gian quá độ) cũng khác nhau. Dưới đây là sơđồ cấu trúc của một hệđiều khiển điển hình dùng bộđiểu khiển PID.
Hình 4-1: Sơđồ mô phỏng hệ thống
Áp dụng vào bài toán điều chỉnh áp suất ta có sơđồ mô phỏng Simulink như sau:
Hình 4-2 : Sơđồ mô phỏng hệ thống dùng PID
Áp dụng Zeigler-Nichols ta tìm được bộ thông số KP,KI.
ĐỐI TƯỢNG PID x(t) + z(t) ĐO LƯỜNG
e(t) u(t) y(t)
Chọn KP = 0.9, KI = 0.005, KD = 0.
Lưu ý: ta cho KD=0 vì thành phần vi phân hay được sử dụng khi đối tượng trong hệ
thống điều chỉnh có độ quán tính bé và yêu cầu tác động của bộ điều khiển nhanh chóng. Còn đối với những đối tượng có độ quán tính lớn (lò nhiệt…) thì thành phần vi phân không
được sử dụng. Một điểm lưu ý khác khi sử dụng thành phần vi phân là nó dễ gây mất ổn
định cho cả hệ thống điều chỉnh nếu như quá trình thiết kếđược thực hiện không chính xác. Kết quả mô phỏng ta thu được đồ thị sau:
Hình 4-4 : Đồ thị áp suất bao hơi (Psi)
Cho tải thay đổi tức lưu lượng hơi thay đổi ở giây 1200 (lưu lượng hơi tăng lên) và 1600 (lưu lượng hơi giảm xuống) thì dần dần áp suất vẫn trở về trạng thái đặt 1800psi => bộ PID hoạt động ổn định
Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị xác lập của lưu lượng hơi là 1339 lbs/s, áp suất bao hơi 2619 psi và áp suất hơi quá nhiệt là 1800 psi.
1.2. Luật điều khiển PID mờ
1.2.1 Khái niệm cơ bản về logic mờ
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau : Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các số thực R, tập các số nguyên tố
P={2,3,5,...}… Những tập hợp như vậy được gọi là tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ”
ởđây được hiểu là với một tập xác định S chứa n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định
được một giá trị y=S(x).
Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh. Phát biểu “CHẬM” ởđây không được chỉ rõ là bao nhiêu km/h, như
vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/h chẳng hạn. Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành phần ngôn ngữ xk của phát biểu trên nếu nó nhận được một khả năng µ(xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, µ(xk)) được gọi là tập mờ.
a.Định nghĩa tập mờ
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá trị (x, µF(x)), với x X và µF(x) là một ánh xạ :
µF(x) : B → [0 1]
trong đó : µF gọi là hàm thuộc , B gọi là tập nền.
Hình 4-6 : Các dạng hàm thuộc
b.Biến ngôn ngữ
Biến ngôn ngữ là phần tử chủđạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ởđây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau : Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy: - Rất chậm (VS) - Chậm (S) - Trung bình (M) - Nhanh (F) - Rất nhanh (VF) Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h … Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là :
Hình 4-7 : Hàm thuộc tốc độ
Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị : - Miền các giá trị ngôn ngữ :
N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh } - Miền các giá trị vật lý :
V = { x B | x ≥ 0 }
Biến tốc độđược xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ. Với mỗi x B ta có hàm thuộc :
x → µX = { µVS(x), µS(x), µM(x), µF(x), µVF(x) } Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x=65km/h là :
µX(65) = { 0;0;0.75;0.25;0 }
1.2.2 Điều khiển mờ
Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại. Ngay từ buổi đầu, điều khiển mờđã đem lại sự ngạc nhiên đáng kể rằng hoàn toàn trái với