4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
Với các nghiên cứu phân tích ở trên, việc điều khiển đối tượng áp suất có mô hình hệ thống điều khiển như sau:
Hình 4.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Trong đó:
- Đối tượng điều khiển O: Áp suất hơi. - R: Bộ điều chỉnh.
- C: Bộ khử.
- v: Tác động nhiễu.
4.2.2. Giới thiệu phần mềm thiết kế CASCAD
Phần mềm Cascad được tác giả PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh viết dựa trên hệ thống lý thuyết được tác giả nêu ra bao gồm:
- Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe. - Lý thuyết điều khiển bền vững.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 72
CASCAD cho phép thiết kế các hệ thống điều khiển bền vững tối ưu, Phổ biến trong các quá trình công nghiệp. Có thể dùng để mô phỏng hệ thống, cải tiến từng bộ phận, hoặc thiết kế hệ thống mới.
CASCAD cho phép nhận dạng và mô hình hóa các đối tượng bất định, tổng hợp cấu trúc hệ thống, tổng hợp các bộ điều chỉnh và các bộ khử nhiễu, giải bài toán tối ưu hóa bằng phương pháp vượt khe.
Kết quả tính toán là dữ liệu về cấu trúc hệ thống và các hàm truyền của các khâu. Chất lượng thiết kế được thể hiện bằng đồ thị các đặc tính tần số, đặc tính quá độ và các đáp ứng của hệ thống theo các kênh ứng với đầu vào đặt và các đầu vào nhiễu.
CASCAD cho phép mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển với cấu trúc tối đa 5 tầng, mỗi tầng chứa 5 khâu động học cơ bản và một khâu dùng để mô phỏng sự bất định của đối tượng. Ngoài ra ứng với mỗi tầng có một khâu đầu vào nhiễu, còn một khâu là đầu vào đặt để điều khiển hệ thống nói chung.
4.2.3. Xử lý số liệu vận hành trên CASCAD. a) Nhận dạng đối tƣợng. a) Nhận dạng đối tƣợng.
* Lấy và xử lý số từ bảng 4.
Từ bảng số liệu thực nghiệm ta có đường cong đặc tính vận hành của đối tượng điều chỉnh công suất nhiệt của vòng thứ cấp nhà máy điện nguyên tử O(s):
0,545 2 13, 4 ( ) (1 0, 276 0, 276 ) s e O s s s
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 73
Hình 4.5 . Đặc tính vận hành của đối tượng áp suất
Nhận xét: Đường cong (mầu đen) đặc tính trên có dạng khâu quán tính bậc hai. Vậy ta sẽ tiến hành mô hình hóa đối tượng theo khâu quán tính bậc hai có trễ.
b) Mô hình hóa đối tượng và độ bất định của đối tượng
Trên phần mềm Cascad chạy chức năng tối ưu hóa để tìm các hệ số b0, a1, a2, Tr gần nhất với đường đặc tính thực tế. Chức năng này được lập trình theo thuật toán tối ưu hóa vượt khe nhiều đối số. Trong trường hợp này thuật toán được thực hiện trên 4 biến số b0, a1, a2, Tr.
Sau khi mô hình hóa ta được đường mầu đỏ trên hình 4.4. Từ đây ta có bộ số b0=14,174; a1=0,259; a2=0,259; Tr =0,585
Ta được một đường cong mịn nằm sát với đường gấp khúc ban đầu. Đây chính là kết quả của thuật toán và là đáp ứng quá độ đầu ra của đối tượng với xung đầu
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 74
vào là xung bậc thang với đối tượng qua các hệ số vừa tìm được hàm truyền nhân bất định. 0,585 2 14,174 ( ) (1 0, 259 0, 259 ) s e o s s s
Tiếp theo ta xác định độ bất định cho đối tượng. Để xác định độ bất định cho đối tượng ta chuyển từ đặc tính thời gian sang đặc tính tần số tương đương.
- Hiệu chỉnh tần số. Để số liệu của đồ thị F(jw) dùng có hiệu quả cho bài toán nhận dạng đối tượng bất định, cần xác định miền tần số cơ bản - chứa thông tin quan trọng nhất về bản chất động học của đối tượng. Đối với các đối tượng công nghiệp, miền tần số cơ bản thường có tần số thấp và tương ứng với đoạn đồ thị
F(jw) nằm phía trái-dưới của đường thẳng phân giác của góc thứ hai và thứ tư. Khi xác định miền tần số cơ bản bằng cách chỉnh đầu và cuối đường cong
F(jw), ta được một đoạn đường cong như trên hình. Số điểm của đoạn này thường chọn từ 10÷60 điểm. Chọn tần số khảo sát =0,01÷10 và giảm số điểm 10÷60 điểm để giảm khối lượng tính toán cho máy tính.
Mô hình nhân bất định (Udat) với b0 = 1,977; a1 = 0,072, a2 = 0,017; Tr = 0
2 1,977 ( ) (1 0,072 0,017 ) s s s Mô hình bất định: 0,585 2 2 14,174 1,977 ( ) ( ) ( ) (1 0, 259 0, 259 ) (1 0,072 0,017 ) s e O s O s s s s s s
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 75
Hình 4.6 . Đặc tính vận hành của đối tượng áp suất
Ta thấy đường biên của nhân bất định xấu nhất phủ trên đường sai số giữa mô hình và đối tượng đạt yêu cầu.
Ta trở lại với sơ đồ cấu trúc. Đối tượng O1 lúc này được nghi nhớ vào ô Mdat, còn độ bất định của đối tượng được ghi nhớ trong ô Udat. Ta coppy ô Mdat vào khâu O và ô Udat vào khâu A. Đặt giá trị cho khâu F (b0=1),tín hiệu đầu vào z=1/s(b0=1, q=1).
Giả thiết tín hiệu nhiễu bằng với xung đầu vào z và và O=O.
Như vậy ta đã hoàn thành xong phần mô hình hóa đối tượng và độ bất định cho đối tượng cùng với việc đặt giá trị cho các tín hiệu vào và tín hiệu nhiễu.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 76
Hình 4.7 : Sơ đồ hệ thống điều khiển áp suất.
c) Tổng hợp bộ điều chỉnh
Sau khi tìm được hàm truyền của đối tượng ta tổng hợp bộ điều chỉnh bền vững nguyên bản theo công thức.
1 1 ( ) . ( ) S PT R s O s Với = K.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 77
Hình 4.8 : Sơ đồ hệ thống điều khiển áp suất.
Ta thấy đặc tính mềm của hệ đi qua điểm (-1,0) có nghĩa là hệ thống ổn định nhưng chưa có độ dự trữ ổn định. Vì đối tượng có độ bất định nên nếu đối tượng ở trạng thái của đương biên mềm xấu nhất có thể sẽ không đảm bảo độ ổn định cho hệ thống.
Sơ đồ hệ thống điều khiển áp suất được thể hiện trong hình 4.8, theo phân tích ở trên thì hệ thống điều khiển áp suất là kiểu 1 vòng có phản hồi. Bộ điều chỉnh áp suất nhận được với chỉ số dao động mc = 0.461 có dạng như sau:
2 11 0, 09 0, 046. 0, 006. 1 0, 046 1 0,13. 0,511. S S R S S S
Với đặc tính mềm của hệ hở được thể hiện trong hình 4.8, ta thấy đặc tính mềm không bao điểm (-1,j0) nên hệ thống có tính ổn định bền vững.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 78
Hình 4.9. Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp cơ sở, xấu nhất, ngẫu nhiên
Nhưng ứng với đặc tính mềm ứng với trường hợp xấu nhất (Hình 4.9) đã bao điểm (-1,j0) nên với bộ điều chỉnh như trên ta cần tiến hành tối ưu hóa bộ điều chỉnh.
Hình 4.10. Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp cơ sở, xấu nhất, ngẫu nhiên
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 79
Với bộ điều chỉnh tối ưu như trên, đặc tính mềm ứng với trường hợp xấu nhất không bao điểm (-1,j0) (hình 4.10), hệ thống có tính ổn định bền vững chất lượng cao.
Bộ điều chỉnh tối ưu của hệ thống điều khiển áp suất có dạng:
2 11 0, 085 0, 004. 0, 006. 1 0, 004 1 1,5. 0, 047. S S R S S S
Bộ điều chỉnh trên có dạng của bộ điều chỉnh PID, là bộ điều chỉnh được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.
Các tham số bộ điều chỉnh PID cho đối tượng áp suất: K=0,004; Ti=0,158; Td=0,129
d) Đánh giá chất lượng hệ thống.
Chỉ số thời gian điều chỉnh cho phép đánh giá độ tác động nhanh hay chậm của hệ thống điều chỉnh tự động. Giá trị lý thuyết của thời gian điều chỉnh luôn bằng vô cùng nhưng giá trị đó không phản ánh tốc độ tắt dần của quá trình qua độ. Vì vậy thời gian điều chỉnh thực tế là giá trị tối thiểu mà từ đó đại lượng điều chỉnh sai lệch không quá một đại lượng > 0 so với giá trị xác lập của nó:
h(t)-h()≤ với t ≥ tđ
Trong đó có thể xác định là vùng không nhạy của bộ điều chỉnh.
Quá trình quá độ của hệ thống coi như tắt hẳn sau thời gian điều chỉnh tđ. Kể từ đó độ biến thiên của đại lượng điều chỉnh không vượt khỏi vùng không nhạy của bộ điều chỉnh.
Trong thực tế thường được xác định từ (3-10)% giá trị xác lập h() của đại lượng điều chỉnh. Trong trường hợp h()=0 có thể xác định =(3-10)% một giá trị định mức nào đó ví dụ theo giá trị tác động xung bậc thang. Cùng điều kiện khác như nhau thì hệ thống có thời gian điều chỉnh càng ngắn có chất lượng cằng cao.
1) Theo kênh đặt.
Tiến hành xây dựng đặc tính quá độ của hệ thống theo kênh đặt ta thu được các kết quả sau: (hình 4.11)
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 80
Hình 4.11. Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh đặt
Thời gian điều chỉnh: Tq = 2,768 phút Độ sai lệch động cực đại: y(t)max = 1,212
Độ quá điều chỉnh: ( )max ( ) 1, 212 1
.100% .100% 21, 2(%) ( ) 1 y t y t y t
Độ quá điều chỉnh nằm trong khoảng cho phép 1050% Độ tắt dần dao động của quá trình quá độ: 0,959
Chỉ tiêu tích phân bình phương: 2
( ) 0,846
e t
Đánh giá: Với các chỉ tiêu chất lượng thu được ở trên, có thể thấy với bộ điều
chỉnh R11 quá trình điều khiển đạt kết quả tốt với thời gian điều chỉnh ngắn, độ quá điều chỉnh nằm trong giá trị cho phép, hệ thống tác động nhanh với thay đổi đầu vào.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 81
2)Theo kênh nhiễu.
Hình 4.12: Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh nhiễu
Thời gian điều chỉnh: Tq = 7,843 phút Độ sai lệch động cực đại: y(t)max = 11,432
Độ quá điều chỉnh nằm trong khoảng cho phép 11, 432 1100% 1
Độ tắt dần dao động của quá trình quá độ: 0.96
Chỉ tiêu tích phân bình phương: 2
( ) 121, 229
e t
Đánh giá: Với các chỉ tiêu chất lượng thu được ở trên, có thể rằng tín hiệu nhiễu có chiều hướng tiến về 0 và bị dập tắt ở khoảng thời gian t = 7 phút. Thời gian tác động nhiều và sai lệch cực đại không lớn. Nếu muốn dập nhiễu nhanh hơn ta tiến hành thiết lập thêm bộ khử nhiễu.
e) Xây dựng bộ khử nhiễu
Để khử được nhiễu này cần thiết lập một kênh song song với đường truyền tự nhiên của nó. Kênh này bắt đầu từ điểm đo giá trị qua khâu khử C(s) đưa trái dấu vào đầu vào bộ điều chỉnh tiết kiệm và dễ thực hiện hơn vì công suất của tín hiệu đòi hỏi không lớn.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 82
Hình 4.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có bộ khử nhiễu
0 0 2 2 2 1 2 1 2 1 1 0, 085. 1 1 1 0,518. 0, 076 S C S b S C R a S a S a S a S S S
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 83
4.3 Kết luận:
Với bộ phần mềm CASCAD được xây dựng trên nền tảng là phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững chất lượng cao dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm, phương pháp nhận dạng và mô hình hóa, phương pháp tối ưu hóa vượt khe, chúng ta đã tính toán thiết kế được các bộ điều chỉnh cho bộ sinh hơi vòng tuần hoàn thứ cấp với từng đối tượng là áp suất hơi vào tuabin.
Các bộ điều chỉnh đảm bảo tính bền vững chất lượng cao với các chỉ tiêu chất lượng mong muốn, có thể thỏa mãn yêu cầu thiết kế các vòng điều chỉnh thực điều khiển công suất tuabin của nhà máy điện nguyên tử.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 84
KẾT LUẬN
Nội dung chính của đề tài nghiên cứu “Hệ thống điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử” là: Các loại nhà máy điện nguyên tử; Hệ thống trao đổi nhiệt
nhà máy điện nguyên tử; Phương pháp tổng hợp hệ thống theo quan điểm bền vững; Tính toán điều khiển công suất nhiệt của vòng tuần hoàn thứ cấp nhà máy điện nguyên tử.
Năng lượng mà nhân loại có thể sử dụng lâu dài trong thời gian tới phải dựa vào năng lượng nguyên tử, đặc trưng của năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng sạch, không phát thải CO2, SOx, NOx gây ô nhiễm không khí .
Nhiên liệu Uranium có kích thước nhỏ hàm chứa năng lượng lớn. Vài chục tấn Uranium có năng lượng tương đương với hàng triệu tấn dầu.
Lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong nhà máy điện nguyên tử rất ít so với lượng chất thải công nghiệp thông thường. Tuy nhiên nó đòi hỏi quản lý một cách chặt chẽ, cất giữ và bảo quản an toàn.
Nhà máy điện nguyên tử phải được lựa chọn phương án thiết kế an toàn tối đa. Nó được thiết kế để sao cho dù có phát sinh tai nạn thế nào chăng nữa cũng không gây thiệt hại, tổn thất cho tất cả cư dân sống xung quanh. Có thể nói rằng một nửa nhà máy điện nguyên tử là các thiết bị an toàn.
Trong luận văn đã đưa ra một cách tính toán thử cho một vòng điều chỉnh công suất công suất nhiệt của vòng tuần hoàn thứ cấp. Phương pháp chỉnh định hệ thống có thể áp dụng cho nhà máy điện nguyên tử trong thực tế.
Công nghệ điện hạt nhân là vấn đề mới đối với nước ta do vậy lần đầu tiên đề tài luận văn nhận nhiệm vụ nghiên cứu bước đầu về vấn đề này chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót. Rất mong các thầy, cô trong ngành, trường, khoa, các bạn đọc có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện để bài luận văn hoàn thiện hơn.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Văn Mạnh (1994), Lý thuyết điều chỉnh quá trình nhiệt, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2. Nguyễn Văn Mạnh (2002), Tổng hợp bền vững tối ưu hệ thống điều khiển đối tượng bất định, Thông báo khoa học, Hội nghị toàn quốc tự động hóa lần V – VICA, Hà Nội.
3. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2000), Điều khiển tối ưu và bền vững,
Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
4. Nguyễn Văn Mạnh (1996), Tính toán hệ thống điều khiển bền vững nhờ đặc tính tần số mở rộng (tiếng Nga), Tạp chí Năng lượng Nhiệt, Matxcơva.
5. Nguyen Van Manh (1997), ”Assessing the stability margin of linear multivariable control systems in accordance with a ”soft” oscillation index”, Thermal Enginering, Vol 44, No 10, p 809-815.
6. Nguyen Van Manh, Vo Huy Hoan (2006), The new method for synthesizing industrial robust control system, 1st South East Asian Technical University Consortium (SEATUC) Symposium.
7. John I. Levenhagen (1999), HVAC Controls system design diagrams, McGraw – Hill, Singapore.
8.Lunze J. (1999), Robust multivariable feedback control, Prentice Hall, New York.
9. Tài liệu: IAEA_TECDOC – 1474 năm 2005.
10. Báo cáo tóm tắt hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam tháng 4 năm 2011.