Hàm truyền của mụ hỡnh

3. Nội dung luận văn:

2.2.4. Hàm truyền của mụ hỡnh

Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để sinh cụng (nhờ sự chuyển húa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng).

Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lũ bởi cỏc ống dẫn (bao hơi đặt phớa trờn lũ, ở vị trớ cao nhất hỡnh 2.7). Buồng đốt được cấu tạo từ cỏc dàn ống sinh hơi, cỏc ống sinh hơi được hàn với nhau bằng cỏc thanh thộp dẹt

dọc theo hai bờn vỏch ống tạo thành cỏc dàn ống kớn. Cỏc dàn ống sinh hơi tường trước và tường sau ở giữa tạo thành vai lũ, phía dưới tạo thành cỏc phễu tro lạnh. Phớa trờn buồng đốt, cỏc dàn ống sinh hơi tường sau tạo thành phần lồi khí động.

Trờn bề mặt ống sinh hơi vựng rộng của buồng đốt từ dưới vai lũ tới trờn phễu lạnh được gắn gạch chịu nhiệt tạo thành vựng đai đốt bảo vệ bề mặt ống. Để ổn định tuần hoàn, cỏc dàn ống sinh hơi được chia thành cỏc vũng tuần hoàn nhỏ. Nước từ bao hơi theo đường ống nước xuống, phõn chia đi vào cỏc ống gúp dưới trước khi vào cỏc dàn ống sinh hơi. Cỏc dàn ống sinh hơi được đốt núng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lũ, nước trong cỏc dàn ống sẽ sụi và sinh hơi.

Hỗn hợp hơi nước bốc lờn từ cỏc dàn ống sinh hơi tường hai bờn lũ tập trung vào cỏc ống gúp trờn hai bờn sườn trần lũ, từ cỏc dàn ống sinh hơi tường trước tập trung vào cỏc ống gúp trờn tường trước và từ cỏc dàn ống sinh hơi tường sau tập trung vào cỏc ống gúp trờn tường tường sau của lũ. Từ cỏc ống gúp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng cỏc đường ống lờn.

Hệ thống cấp nước cú 3 phần chính: hệ thống bơm nước; hệ thống van, ống dẫn, vũi phun và hệ thống hõm nước. Hệ thống thực hiện nhiệm vụ cung cấp nước vào bao hơi đảm bảo quỏ trỡnh tạo lượng hơi nước theo yờu cầu. Hơi nước sau khi phun vào tuabin được ngưng tụ thành nước tại bỡnh ngưng và được đưa trở lại hệ thống cấp nước cho bao hơi. Nước cấp cho bao hơi đó được xử lý hoỏ học để đảm bảo chất lượng nước cấp, sau đú nước được hõm núng tới gần nhiệt độ sụi rồi bơm vào bao hơi. Hệ thống cỏc ống dẫn, vũi phun nối liền cỏc hệ thống cấp nước, hệ thống hõm nước, van và bơm với bao hơi.

Hỡnh 2.8 biểu diễn sơ đồ những thành phần cơ bản của hệ thống cấp nước. Nước từ bộ ngưng hơi được đưa vào bộ phận lọc khớ của bộ hõm nước, sau đú

Hỡnh 2.8: Hệ thống lọc khớ, hõm nước và bơm

Bỡnh chứa này nối với đầu vào của bơm nước cấp, đầu ra của bơm nước cấp nối với hệ vũi phun nước cấp.

Tại đầu ra của bơm nước cấp cú đường nước hồi tiếp được đưa về bỡnh chứa, trờn đường nước này cú đặt van điều khiển hay van đúng cắt (gọi là van hồi tiếp). Giữa bơm và hệ vũi phun nước vào lũ hơi cú van điều chỉnh và van kiểm tra. Van kiểm tra sẽ đảm bảo ỏp lực nước để dũng nước khụng thể quay ngược lại từ hệ vũi phun về bơm cấp. Với hệ thống cú nhiều bơm cấp, van kiểm tra cú thể bị khoỏ ở những bơm ngừng hoạt động.

Mức nước trong bao hơi được đo dựng mỏy ống kớnh ngắm được nối với bao hơi biểu diễn trờn Hỡnh 2.9.

Do người vận hành khụng thể xỏc định mức nước bao hơi bằng cỏch đọc trực tiếp ở khoảng cỏch gần, hỡnh ảnh của kính mỏy đo sẽ được phản chiếu thụng qua hệ thống kớnh tiềm vọng để người vận hành cú thể dễ dàng nhỡn thấy. Trong một số hệ thống , việc sử dụng gương để phản chiếu hỡnh ảnh mức nước cú thể núi là khỏ phức tạp về mặt cơ khí và khú thực hiện, người ta thường sử dụng bộ hiển thị mức từ xa dựng sợi quang học, hoặc hiển thị trờn màn hỡnh.

Để tớnh hàm truyền đạt của đối tượng mức nước khi cú sự thay đổi lưu lượng nước cấp ta cần thành lập sự liờn hệ giữa mức nước H và lưu lượng nước cấp Dc, sự liờn hệ đú được thể hiện qua phương trỡnh quỏ độ mức nước.

* Lập phương trỡnh quỏ trỡnh quỏ độ mức nước trong bao hơi:

' ( '') c r D D dH d F      Trong đú:

’: khối lượng riờng của nước cấp, kg/m3

’’: khối lượng riờng của nước ở chế độ sụi, kg/m3

F: diện tớch của bỡnh bao hơi, m2

Dc: lưu lượng nước cấp, kg/s

Dr: lưu lượng của hơi nước ra khỏi bao hơi, kg/s

Để tớnh toỏn dễ dàng và tổng quỏt húa cho nhiều trường hợp, người ta thường dựng cỏc trị số tương đối

thay cho đại lượng ra hoặc vào. Như vậy khi khảo sỏt người ta thường dựng trị số tương đối là tỷ số giữa đại lượng vào, ra với lượng vào hoặc ra cực đại cú thể.      .max .max 0 ; ; c H v r bs H D D H D D H Khi cú chấn động, giỏ trị D = Dbs – Dr viết dưới dạng tương đối như sau:

.max .max

c r

c c

D D D

D  D 

Từ đú phương trỡnh quỏ trỡnh quỏ độ cú thể viết lại với trị số tương đối như sau:             0 . t d d d d Trong đú: .max ' " 0 ( ) c D F H    

 là trị số khụng đổi đối với đối tượng khảo sỏt cú

đơn vị sec-1 và được gọi là tốc độ quỏ độ.

 tốc độ thay đổi mức nước khi cú giao động đơn vị ( = 1). Dạng chấn động

Hỡnh 2.10: Đặc tớnh động của mức nước bao hơi khi thay đổi lưu lượng nước cấp

100%. Tang gúc giữa đặc tớnh thời gian và trục hoành khi cú chấn động đơn vị chớnh bằng tốc độ quỏ độ.

Trong trường hợp tổng quỏt: tg = .

Tốc độ quỏ độ đặc trưng cho dung tích của đối tượng điều chỉnh. Trong những điều kiện giống nhau, tốc độ  càng nhỏ nếu dung tớch của đối tượng càng lớn. Trị số nghịch đảo của tốc độ :  

1

a

T cú đơn vị sec nờn thường gọi là thời

gian cố định của đối tượng. Đấy chớnh là thời gian cần thiết để đại lượng điều chỉnh thay đổi 100% khi cú chấn động đơn vị.

Đối với cỏc đối tượng phức tạp, đặc tính động học của đối tượng thường được xỏc định bằng phương phỏp thực nghiệm và được biểu diễn dưới dạng đặc tớnh thời gian. Việc xỏc định cỏc đặc tính này được thực hiện bằng cỏch tỏc động lờn đầu vào của đối tượng tớn hiệu bậc thang và ghi lại phản ứng của đầu ra của đối tượng sẽ nhận được đặc tớnh thời gian của đối tượng.

Bao hơi xét theo quan điểm điều chỉnh mức nước là đối tượng khụng cú tớnh tự cõn bằng. Điều đú được thể hiện ở đặc tính động của mức nước bao hơi khi thay đổi lưu lượng nước bổ sung. Đặc tính đú cú dạng như sau:

Trờn cơ sở hàm quỏ độ của đối tượng, cú thể xỏc định gần đỳng hàm truyền đạt của nú. Trong thực tế hàm truyền đạt của đối tượng khụng cú tớnh tự cõn bằng được mụ tả gần đỳng như sau:

. ( ) s dt K e W s s   

Cỏc thụng số của đối tượng hoàn toàn cú thể xỏc định được từ hàm quỏ độ bằng phương phỏp thuần tỳy đồ thị hoặc giải tớch.

Hỡnh 2.11: Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp

* Tớnh hàm truyền đạt của mức nước bao hơi

Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là mức nước bao hơi, thụng qua việc tiến hành thớ nghiệm lấy đường đặc tính động của mức nước với tỏc động điều chỉnh là lưu lượng nước bổ sung người ta đó thu được đặc tính quỏ độ của đối tượng như sau:

Theo trờn đó trỡnh bày, hàm truyền đạt của cỏc đối tượng khụng cú tớnh tự cõn bằng được mụ tả dưới dạng gần đỳng là một khõu tớch phõn cú trễ sau:

. ( ) s dt K e G s s    Trong đú:

K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền

0, 08 / mm K t h        : hằng số thời gian trễ,  = 15 (s)

Khi đú hàm truyền của đối tượng là:

 0, 08. 15 ( ) s L e G s s

Khõu trễ e-15s cú thể biến đổi gần đỳng như sau:

15 1 1 15 s e s         0, 08 0, 0054 ( ) (1 15 ) (0, 067 ) L G s s s s s 2.3. Hàm truyền của hệ thống

Ta cú sơ đồ khối như sau:

Dựa vào hàm truyền của van (Gv(p)) và hàm truyền của mức nước hơi (GL(p)), ta cú thụng số của hàm truyền của hệ hở như sau:

H v L 4 G ( s ) G ( p )G ( p ) s( 15s 1)( 0.01s 1)    

Chương 3

KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Lề HƠI

3.1. Giới thiệu chung

Trong chương 2, đó tiến hành xõy dựng được mụ hỡnh toỏn học cho đối tượng. Trong chương này, ta phải xõy dựng cấu trỳc điều khiển phản hồi cho hệ thống, bao gồm: Đối tượng điều khiển, thiết bị chấp hành, thiết bị đo lường và bộ điều khiển theo quy luật PID. Đặc điểm của đối tượng điều khiển là khõu quỏn tớnh tớch phõn cú trễ, do đú để tổng hợp bộ điều khiển theo quy luật PID ta phải sử dụng phương phỏp tối ưu đối xứng. Trước hết giới thiệu về bộ điều khiển PID

3.1.1. Bộ điều khiển PID

PID (Proportional-Integral-Derivative) là bộ điều khiển bao gồm khõu khuyết đại (P), khõu tớch phõn (I) và khõu vi phõn (D). PID là một tập thể hoàn hảo gồm 3 tớnh cỏch khỏc nhau:

- Phục tựng và thực hiện chớnh xỏc nhiệm vụ được giao (tỉ lệ P); - Làm việc cú tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (I);

- Luụn cú sỏng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi tỡnh huống trong quỏ trỡnh thực hiện nhiệm vụ (vi phõn D).

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rói để điều khiển đối tượng SISO theo nguyờn tắc sai lệch.

Từ hơn sỏu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thụng dụng nhất trong cỏc hệ thống điều khiển quỏ trỡnh bởi cỏc lý do sau đõy:

- Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt động

đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực tế.

- Cú rất nhiều phương phỏp và cụng cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định cỏc tham số của bộ điều khiển.

- Cỏc luật điều khiển P, PI và PID thớch hợp cho một phần lớn cỏc quỏ trỡnh cụng nghiệp.

Nhiều bỏo cỏo đó đưa ra cỏc con số thống kờ rằng hơn 90% bài toỏn điều khiển quỏ trỡnh cụng nghiệp được giải quyết với cỏc bộ điều khiển PID, trong số đú khoảng trờn 90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P thuần tuý và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, cũn lại là những dạng dẫn suất khỏc.

Thuật toỏn PID được biểu diễn trờn miền thời gian như sau:

t P D I 0 1 de(t) u(t)=k e( t ) e(T )dT+ dt           (3.1) Nếu ta coi cỏc tớn hiệu trong (3.1) là cỏc biến chờnh lệch, cú nghĩa là hàm truyền đạt của bộ điều khiển sẽ được viết như sau:

PID P D I u(s) 1 K (s)= =k 1+ s e(s)  τ s     (3.2)

Quy luật PID cú ba tham số hiệu chỉnh Kp, TI, TD. Xột ảnh hưởng của ba tham số ta thấy:

Khi TD = 0 và TI = ∞ quy luật PID trở thành quy luật P Khi TD = 0 quy luật PID trở thành quy luật PI

Khi TI = ∞ quy luật PID trở thành quy luật PD

Ưu điểm của quy luật PID là tốc độ tỏc động nhanh và cú khả năng triệt tiờu sai lệch tĩnh. Về tốc độ tỏc động, quy luật PID cũn cú thể nhanh hơn cả quy luật tỷ lệ. Điều đú phụ thuộc vào thụng số TI, TD.

Nếu ta chọn được tham số tối ưu thỡ quy luật PID sẽ đỏp ứng được mọi yờu cầu về điều chỉnh chất lượng của cỏc quy trỡnh cụng nghệ. Tuy nhiờn, việc chọn được bộ ba thụng số tối ưu là rất khú khăn. Do đú trong cụng nghiệp, quy luật PID thường chỉ được sử dụng khi đối tượng điều chỉnh cú nhiều thay đổi liờn tục và quy trỡnh cụng nghệ đũi hỏi độ chớnh xỏc cao mà quy luật PI khụng đỏp ứng được.

Bộ điều khiển PID là thiết bị điều khiển được sử dụng rộng rói trong lĩnh vực điều khiển quỏ trỡnh nhằm duy trỡ tớnh ổn định của hệ thống. Do vậy, nghiờn cứu và tổng hợp bộ điều khiển PID là một vấn đề cần thiết.

- Bộ điều khiển PI tạo ra sự dịch pha õm, cũn module thỡ giảm cựng với sự gia tăng của tần số, ngược lại bộ điều khiển PD cho phộp dịch chuyển pha dương cũn module thỡ tăng cựng với sự gia tăng của tần số. Việc lựa chọn bộ điều khiển trờn cơ sở này là thực tế.

- Bộ điều khiển PD đảm bảo dải điều chỉnh rộng hơn so với bộ điều khiển PI, nhưng nú mang lại chất lượng xấu ở những tần số thấp hơn và cho nhiễu loạn cú tần số cao đi qua gõy sai số lớn.

- Bộ điều khiển PI đảm bảo chất lượng điều khiển tốt khi nhiễu tỏc động cú tần số nhỏ.

- Bộ điều khiển PID là bộ điều chỉnh cú tính ưu việt hơn cả, nú chớnh là sự kết hợp cỏc ưu điểm của hai bộ điều khiển PI và PD.

- Trờn cơ sở về mặt lý thuyết, nghiờn cứu mụ hỡnh và thực nghiệm người ta đưa ra rất nhiều tiờu chuẩn để lựa chọn thụng số của bộ điều khiển theo yờu cầu của quỏ trỡnh quỏ độ cũng như xỏc lập. Cú thể phõn ra cỏc chủng loại sau:

+ Quỏ trỡnh quỏ độ khụng dao động, thời gian điều khiển là nhỏ nhất. + Quỏ trỡnh quỏ độ cú dao động khoảng 20%, thời gian điều khiển là nhỏ nhất. + Quỏ trỡnh quỏ độ cú tích phõn bỡnh phương sai số điều khiển là nhỏ nhất (ISE):   2 1 0 min I e t dt   

+ Quỏ trỡnh quỏ độ cú tớch phõn giỏ trị tuyệt đối của sai số điều khiển e(t) là nhỏ nhất (IAE):   2 0 min I e t dt    

+ Quỏ trỡnh quỏ độ cú tớch phõn giỏ trị tuyệt đối của sai số điều khiển e(t) nhõn với thời gian là nhỏ nhất (ITAE):

  3 0 . min I e t t dt   

3.1.2. Chọn luật điều khiển PID:

Nếu như quỏ trỡnh cú đặc tớnh của một khõu bậc hai và hằng số thời gian của một khõu tương đối nhỏ. Một trường hợp tiờu biểu là bài toỏn điều khiển nhiệt độ với một hàng số thời gian của quỏ trỡnh truyền nhiệt và một hằng số thời gian của cảm biến. Thành phần D đặc biệt cú tỏc dụng khi hai hằng số thời gian khỏc nhau nhiều. Lưu ý rằng tỏc động vi phõn rất nhạy cảm với nhiễu đo, vỡ thế nờn hạn chế sử dụng nếu khụng cú biện phỏp lọc nhiễu thớch hợp.

Đối với cỏc bài toỏn điều khiển quỏ trỡnh thụng dụng, ta cú thể lựa chọn kiểu bộ điều khiển dựa trờn cỏc chỉ dẫn đơn giản sau:

- Vũng điều khiển lưu lượng: Quỏ trỡnh và cảm biến lưu lượng đều khỏ nhanh và thời gian trễ rất nhỏ, đặc tính động học của đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển. Vỡ thế, ta hầu như chỉ cần sử dụng luật PI. Phép đo lưu lượng chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu cao tần, vỡ thế ta khụng nờn sử dụng thành phần vi phõn.

- Vũng điều khiển mức: Đặc tính động học của cảm biến và của thiết bị chấp hành rất nhanh so với quỏ trỡnh. Quỏ trỡnh cú đặc tớnh tớch phõn nờn sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt. Thành phần vi phõn ít khi được sử dụng bởi thực sự khụng cần thiết, hơn nữa phép đo mức