(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun

(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun(Luận án tiến sĩ) Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lê Đức Dũng PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Hà Nội - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án “Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch

vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun” là nghiên cứu của tôi được hoàn

thành dưới sự hướng dẫn của TS Lê Đức Dũng và PGS.TS Bùi Quốc Khánh Các

số liệu nêu trong quyển luận án hoàn toàn trung thực Những kết quả của luận án chưa từng được ai công bố trên bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, ngày 04 tháng 01 năm 2022

Tập thể hướng dẫn

TS Lê Đức Dũng PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tiến Sáng

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới tập thể hướng

dẫn của tôi là TS Lê Đức Dũng và PGS.TS Bùi Quốc Khánh đã luôn tận tâm, tận

lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý, thời gian của các thầy cô tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn và chỉ báo cho tôi những vấn đề có liên quan đến luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, lãnh đạo các Viện liên quan đã hỗ trợ tôi hoàn thành chương trình học nghiên cứu sinh này

Tôi chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Tổng công ty Phát điện 1 đã hỗ trợ rất nhiều điều kiện quá trình tìm hiểu thực tế cũng như bố trí công việc hợp lý để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập nghiên cứu sinh này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân luôn bên cạnh quan tâm, động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể giành thời gian thực hiện luận án, đồng thời luôn sẻ chia những khó khăn và động viên tôi trong quá trình nghiên cứu

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tiến Sáng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 4

1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN 4

1.1.1 Lò hơi nhà máy nhiệt điện đốt than phun 5

1.1.2 Tuabin nhà máy nhiệt điện 7

1.2 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN CẦN PHẢI HIỆU CHỈNH VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN CÔNG NGHỆ CẬN TỚI HẠN 7

1.2.1 Đặc trưng quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 7

1.2.2 Công tác sửa chữa bảo dưỡng hệ thống thiết bị 8

1.2.3 Thành phần nhiên liệu than 8

1.2.4 Những ví dụ về thực trạng vận hành tại NMNĐ Duyên Hải 1 10

1.3 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG THAM SỐ CỦA CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP 14

1.3.1 Phương pháp mô hình đối tượng 14

1.3.2 Nguyên tắc nhận dạng đối tượng điều chỉnh trong công nghiệp 16

1.4 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN 17

1.4.1 Chỉnh định hệ thống điều khiển 18

1.4.2 Đánh giá các mạch vòng cần chỉnh PID 23

1.4.3 Hiệu chỉnh lượng đặt, thông số khởi tạo của toàn bộ quá trình nhiệt trong nhà máy điện theo thời gian 24

1.5 KHÁI QUÁT CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP 25

1.5.1 Khái quát nhận dạng đối tượng điều khiển trong công nghiệp 25

1.5.2 Khái quát về chỉnh định PID trong NMNĐ 26

1.5.3 Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron trong nhận dạng và điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than 31

1.6 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH HỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN CÔNG NGHỆ CẬN

TỚI HẠN 34

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 36

CHƯƠNG 2 37

PHÂN TÍCH YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN 37

CHƯƠNG 1 37

2.1 SƠ ĐỒ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN 37

2.2 PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG CẤP NƯỚC 40

2.3 PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI GIÓ 44

2.3.1 Thành phần và vai trò của hệ thống khói gió 44

2.3.2 Mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư trong khói thải 47

2.3.3 Mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt 49

2.4 PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI 51

2.5 HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 54

2.5.1 Phân tích các cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt 56

2.5.2 Phân tích mạch vòng điều khiển phụ tải nhiệt 61

2.6 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC THỐNG SỐ QUÁ TRÌNH 68

2.6.1 Mô phỏng hệ điều khiển 68

2.6.2 Kiểm chứng kết quả hoàn thiện mô hình theo số liệu NMNĐ Duyên Hải 1 70

2.6.3 Đánh giá chất lượng điều khiển 72

2.6.4 Đánh giá tác động của thông số quá trình tới đáp ứng hệ thống 73

1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 77

CHƯƠNG 3 78

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẦN TỬ DỰ BÁO KẾT HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ CHỈNH ĐỊNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN 78

3.1 PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP KHÂU DỰ BÁO VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN 78

3.1.1 Phương pháp luận 78

3.1.2 Thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp dự báo theo tín hiệu số 80

3.2 PHẦN MỀM HỖ TRỢ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN 85

3.2.1 Chức năng chính của phần mềm 85

3.2.2 Các cửa sổ chính của phần mềm 87

3.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHỈNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN 89

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI 89

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID dạng thực 92

3.3.3 Thiết kế mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư của tổ máy S1 NMNĐ Duyên Hải 1 94

3.3.4 Thiết kế bộ điều khiển Fuel Master và Boiler Master của tổ máy S1 NMNĐ

Duyên Hải 1 96

3.4 CHUYỂN ĐỔI THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀO THỰC TẾ 99

3.4.1 Cấu trúc điều khiển thực tế tại NMNĐ Duyên Hải 1 99

3.4.2 Phương pháp chuyển đổi tham số bộ điều khiển 100

3.5 MỘT SỐ NỘI DUNG CẦN PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 102

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 103

CHƯƠNG 4 104

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO NHẬN DẠNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 104

4.1 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 104

4.1.1 Nguyên lý ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong nhận dạng và hiệu chỉnh hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than 104

4.1.2 Phương án triển khai nghiên cứu thực tế 106

4.2 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG TRẠNG THÁI VẬN HÀNH HỆ ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 106

4.2.1 Thiết kế mạng nơron nhận dạng hệ điều khiển 106

4.2.2 Kết quả mô phỏng 109

4.3 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ HIỆU CHỈNH LƯỢNG ĐẶT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 112

4.3.1 Điều chỉnh lưu lượng than khi nhiệt trị thay đổi 112

4.3.2 Phương pháp luận sử dụng mạng nơron 114

4.3.3 Nhận dạng thời gian thực 116

4.3.4 Tác động theo thời gian dự báo 119

4.4 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 120

4.4.1 Kịch bản mô phỏng 120

4.4.2 Kết quả trên Matlab/Simulink 122

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 126

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 a ,a , ,a0 1 n Hằng số quán tính của mẫu thức

3 A( )  Biên độ dao động hệ kín

4 BF Chế độ điều khiển lò hơi theo tuabin

5 CCS Hệ thống điều khiển phối hợp lò hơi – tuabin (Coordinated

control system)

6 C Nhiệt dung riêng của vật chất

7 CFB Lò tầng sôi (Circulating Fluidized Boiler)

8 c,u, Vận tốc tuyệt đối, vận tốc quay, vận tương tương đối tuabin

9 DCS Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system)

11 i Biến đếm, chạy thuật toán

12 IDF Quạt khói (Induced Draft Fan)

1

j = −

14 F( ) Hàm hỗ trợ xây dựng tham số bộ điều khiển

15 FDF Quạt gió cấp 2, gió chính (Forced Draft Fan)

18 G s c( ) Hàm truyền bộ điều khiển (controller)

19 G p( )s Hàm truyền đối tượng quá trình (process)

20 G D( )s Hàm truyền nhiễu quá trình

22 H f Nhiệt trị làm việc của nhiên liệu

23 Im Phần ảo của số thực hoặc đặc tính tần số

25 m0 Hằng số tỉ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều khiển PID

28 m( ) ,m0 Chỉ số dao động mềm và giá trị ban đầu

29 M Giá trị dự trữ biên độ dao động

30 MV Tín hiệu tác động điều khiển

32 NMNĐ Nhà máy nhiệt điện

33 MISO Nhiều vào - một ra (Multi input - Single output)

39 RH1,2 Bộ tái nhiệt 1, 2 (Reheater 1,2)

40 SISO Một vào - một ra (Single input - Single output)

45 t Khoảng thời gian lấy mẫu

46 TF Chế độ tuabin theo lò hơi

48 T f Hệ số bộ lọc hệ điều khiển

49 x Tín hiệu đầu vào khâu cơ bản

50 y Tín hiệu đầu ra khâu cơ bản

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân tích đánh giá dao động của nhiên liệu và áp suất 12

Bảng 1.2 Tổng hợp thống kê suất hao than đầu cực tổ máy S1 NMNĐ Duyên Hải 1 13

Bảng 1.3 Mô hình đặc trưng của đối tượng quá trình trong công nghiệp 15

Bảng 2.1 Thời gian đáp ứng và độ quá điều chỉnh theo ba chế độ 72

Bảng 2.2 Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành 72

Bảng 2.3 Giá trị các chỉ tiêu J N (MWh), J f (kg than /kWh) từ kết quả mô phỏng 73

Bảng 3.1 Mô hình số các khâu động học cơ bản 82

Bảng 3.2 Đánh giá chỉ tiêu mạch điều khiển áp suất hơi theo lượng đặt 98

Bảng 3.3 Công thức quy đổi hệ số PID mô phỏng sang bộ điều khiển thực tế 102

Bảng 4.1 Tổng hợp chất lượng các mạng nơron 110

Bảng 4.2 Phân tích rời rạc các dao động sai lệch đầu ra của mạng nơron 111

Bảng 4.3 Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành 121

Bảng 4.4 Sai lệch công suất khi kết hợp mạng nơron 124

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản tổ máy nhiệt điện đốt than 4

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun công nghệ cận tới hạn 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý thể hiện đường đi của hơi và nước 6

Hình 1.4 Minh họa cấu tạo của tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện 7

Hình 1.5 Thành phần nhiên liệu rắn 9

Hình 1.6 Biểu đồ công suất phát và lưu lượng nhiên liệu vào lò hơi 10

Hình 1.7 Biểu đồ dao động nhiên liệu và áp suất hơi tổ máy S1 - NMNĐ Duyên Hải 1 11

Hình 1.8 Biểu đồ công suất (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) tổ máy S1 ngày 10/3/2020 13

Hình 1.9 Biểu đồ công suất (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) tổ máy S2 ngày 10/3/2020 13

Hình 1.10 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng mạch hở (Open Test) 16

Hình 1.11 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống kín (Close Test) 17

Hình 1.12 Đặc tính mềm và cứng hệ hở mạch vòng đơn 20

Hình 1.13 Đặc tính cứng hệ hở mạch hai vòng và biên độ dao động hệ kín 22

Hình 1.14 Tỉ lệ chỉnh định theo các dạng mô hình đối tượng [44] 26

Hình 1.15 Nguyên lý PID tự điều chỉnh [48] 29

Hình 1.16 Nguyên lý Gain-scheduling PID [48] 30

Hình 1.17 Nguyên lý multi-model MPC[48] 30

Hình 1.18 Mô hình mạng nơron sinh học 31

Hình 1.19 Cấu trúc nơron nhân tạo 31

Hình 1.20 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 32

Hình 1.21 Nguyên lý mô hình kín lò hơi - tuabin [58] 33

Hình 1.22 Sơ đồ khối thể hiện quá trình triển khai nghiên cứu 35

Hình 2.1 Sơ đồ P&ID của nhà máy nhiệt điện đốt than phun 38

Hình 2.2 Kịch bản công suất phát điện 39

Hình 2.3 Các dạng kịch bản tác động nhiễu 40

Hình 2.4 Sơ đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi [12] 41

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng cấp nước [8-10,12,14,15] 42

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển mức nước 43

Hình 2.7 Mô phỏng đáp ứng của mức nước bao hơi khi tăng giảm công suất 43

Hình 2.8 Xác định lượng đặt nồng độ oxy dư trong khói thải [12] 45

Hình 2.9 Phân bố áp suất: nét liền công suất 100%RO [12] 45

Hình 2.10 Sơ đồ P&ID hệ điều khiển khói gió [12] 46

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh nồng độ %O2 [12] 47

Hình 2.12 Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư 48

Hình 2.13 Mô phỏng đáp ứng mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư 49

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt [10,12] 49

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt 50

Hình 2.16 Đáp ứng mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt 50

Hình 2.17 Sơ đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [12] 51

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [12,23,24] 53

Hình 2.19 Mô hình mạch vòng nhiệt độ hơi quá nhiệt theo biểu đồ công suất 54

Hình 2.20 Đáp ứng của mạch vòng nhiệt độ hơi quá nhiệt theo biểu đồ công suất 54

Hình 2.21 Cấu trúc chung điều khiển lò hơi [10,18] 55

Hình 2.22 Cấu trúc điều khiển phụ tải theo tuabin [12] 57

Hình 2.23 Cấu trúc điều khiển phụ tải theo lò hơi [12] 57

Hình 2.24 Cấu trúc điều khiển phối hợp [12] 59

Hình 2.25 Sơ đồ P&ID điều khiển áp suất và công suất điện theo 3 chế độ [12] 60

Hình 2.26 Sơ đồ P&ID điều khiển cấp nhiên liệu than vào lò hơi [12] 62

Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất hơi [9,12,24] 63

Hình 2.28 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của tuabin [22] 64

Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý mạng hơi của tuabin [12] 65

Hình 2.30 Cấu trúc điều khiển tuabin-máy phát 66

Hình 2.31 Mô hình điều khiển tuabin - máy phát [10,26] 67

Hình 2.32 Mô hình điều khiển tổ máy 622,5 MW - S1 NMNĐ Duyên Hải 1 69

Hình 2.33 Đáp ứng của bốn mạch vòng điều khiển lò hơi với ba chế độ vận hành 70

Hình 2.34 Đáp ứng công suất, nhiên liệu, lưu lượng hơi và áp suất hơi theo ba chế độ 71

Hình 2.35 Sai lệch công suất theo ba chế độ 72

Hình 2.36 Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng hơi và nước cấp thay đổi 74

Hình 2.37 Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng gió cấp 2 thay đổi 75

Hình 2.38 Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng phun giảm ôn thay đổi 75

Hình 2.39 Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng nhiên liệu thay đổi 76

Hình 2.40 Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi nhiệt trị than thay đổi 77

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý chung của cấu trúc điều khiển 78

Hình 3.2 Đáp ứng bước của hệ thống và tín hiệu điều khiển theo nhiễu 84

Hình 3.3 Đáp ứng bước của hệ thống và tín hiệu điều khiển theo lượng đặt 85

Hình 3.4 Lưu đồ chung sử dụng phần mềm 86

Hình 3.5 Module khai báo bài toán thiết kế và nhập hàm truyền đối tượng 87

Hình 3.6 Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [24] 88

Hình 3.7 Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [35-37] 89

Hình 3.8 Đặc tính mềm hệ hở mạch vòng đơn khi thay đổi thời gian dự báo 90

Hình 3.9 Đồ thị hàm hỗ trợ và đặc tính cứng hệ hở 91

Hình 3.10 Đáp ứng bước theo lượng đặt của hệ thống 92

Hình 3.11 Đáp ứng bước theo nhiễu của hệ thống 92

Hình 3.12 Hàm bổ sung và đặc tính cứng của mạch hở 93

Hình 3.13 Đáp ứng bước đầu ra của hệ thống theo lượng đặt và kênh nhiễu 94

Hình 3.14 Đáp ứng bước của mạch điều khiển Oxy Master theo nhiễu 95

Hình 3.15 Sơ đồ khối điều khiển áp suất hơi quá nhiệt NMNĐ Duyên Hải 1 96

Hình 3.16 Đáp ứng bước của hệ thống cấp nhiên liệu theo lượng đặt 97

Hình 3.17 Đáp ứng bước của hệ thống ĐK phụ tải: a) Theo lượng đặt, b) Theo nhiễu 98

Hình 3.18 Nguyên tắc phần tử PID tại NMNĐ Duyên Hải 1 99

Hình 3.19 Cấu trúc bộ điều khiển trong logic NMNĐ Duyên Hải 1 100

Hình 4.1 Cấu trúc mạng nơron nhận dạng hệ thống điều khiển nhà máy 105

Hình 4.2 Ứng dụng mạng nơron phục vụ đánh giá để chỉnh định 105

Hình 4.3 Cấu trúc mô hình sử dụng các mạng nơron 107

Hình 4.4 Cấu trúc mạng một nơron MISO 107

Hình 4.5 Cấu trúc mạng nơron trong Matlab 108

Hình 4.6 Huấn luyện mạng nơron 109

Hình 4.7 Giá trị đầu vào huấn luyện mạng nơron 109

Hình 4.8 Mô hình nhận dạng trên môi trường Matlab/simulink 110

Hình 4.9 Đáp ứng đầu ra mạng nơron sau khi huấn luyện 111

Hình 4.10 Sai lệch đáp ứng của đầu ra mạng nơron so với giá trị luyện 111

Hình 4.11 Sơ đồ điều khiển bù nhiệt trị than 113

Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc mạch bù BTU than 113

Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc bổ sung trí tuệ nhân tạo 114

Hình 4.14 Nguyên lý hiệu chỉnh lượng đặt 115

Hình 4.15 Sơ đồ cấu trúc thiết kế mạng nơron 115

Hình 4.16 Chuỗi số liệu giá trị hiệu chỉnh lượng đặt hệ thống cấp nhiên liệu 116

Hình 4.17 Chuỗi số liệu áp suất hơi quá nhiệt phục vụ thiết kế mạng nơron 116

Hình 4.18 Chuỗi số liệu lưu lượng nhiên liệu phục vụ thiết kế mạng nơron 117

Hình 4.19 Chuỗi số liệu công suất phát điện phục vụ thiết kế mạng nơron 117

Hình 4.20 Cấu trúc và quá trình luyện mạng nơron 117

Hình 4.21 Mô hình mạng nơron nhận dạng hệ số hiệu chỉnh mạch Fuel Master 118

Hình 4.22 Kết quả tính toán của mạng nơron với thời gian luyện thực 118

Hình 4.23 Sai lệnh tính toán của mạng nơron với thời gian luyện thực 119

Hình 4.24 Kết quả đầu ra mạng nơron khi dự báo lượng đặt sau khoảng thời gian t pr 120

Hình 4.25 Quá trình đáp ứng điều khiển của mô hình điều khiển theo ba chế độ 121

Hình 4.26 Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành 121

Hình 4.27 Mô hình điều khiển kết hợp mạng nơron hiệu chỉnh lượng đặt 123

Hình 4.28 Đáp ứng công suất phát điện của tổ máy chế độ phối hợp 124

Hình 4.29 Sai lệch công suất chế độ phối hợp kết hợp mạng nơron 124

Hình 4.30 Đáp ứng lưu lượng nhiên liệu cấp vào lò hơi 125

Hình 4.31 Sai lệch công suất khi kết hợp mạng nơron chế độ theo lò hơi, tuabin 125

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn luận án

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) đốt than luôn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống nguồn điện quốc gia, dự kiến trong tương lai tiếp tục là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho nhiệm vụ phát triển kinh tế và nhu cầu sinh hoạt [1,2,3] Tính đến hết năm 2020, tổng công suất đặt của các NMNĐ đốt than là 20.867

MW, chiếm khoảng 30% toàn hệ thống, sản lượng điện năng đạt năm 2020 đạt 123.117 GWh chiếm tỷ lệ 50% cơ cấu điện toàn hệ thống [5] Vì vậy, vận hành ổn định các nhà máy nhiệt điện đốt than ảnh hưởng tới an ninh năng lượng của nhà nước

Hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than là một trong hệ điều khiển phức tạp nhất của hệ điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ [2,6] Hệ điều khiển nhà máy

có nhiệm vụ trước tiên là đảm bảo vận hành ổn định, ít sự cố để đảm bảo sản lượng điện là lớn nhất, tiếp đến yếu tố chi phí vận hành nhà máy là thấp nhất Chính vì vậy,

hệ điều khiển nhà máy đóng vai trò quan trọng khi nhà máy vận hành Tuy nhiên, động lực học các quá trình của nhà máy là phi tuyến, đa thông số, luôn có sự tác động của các nhiễu quá trình do thông số đầu vào thay đổi, cũng như thiết bị cơ nhiệt, thiết

bị chấp hành bị suy thoái sau thời gian vận hành Do đó, sau một thời gian vận hành, các mạch vòng điều khiển không hoạt động tự động được mà phần lớn phải chuyển sang chế độ bằng tay, điều này dẫn đến nguy cơ mất ổn định, sự cố và chi phí vận hành tăng cao Trên quan điểm điều khiển, hiệu quả quá trình vận hành lò hơi nhà

máy nhiệt điện phụ thuộc vào hai nhóm yếu tố có thể phân như sau: Yếu tố bất định

và yếu tố gây tổn thất nhiên liệu [6-10]

Các yếu tố bất định bao gồm: sự suy giảm độ chính xác của các thiết bị đo lường, sự thay đổi khả năng đáp ứng của các cơ cấu chấp hành và hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị [29] Để hạn chế các yếu tố này, chủ đầu tư cần tiến hành kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ theo quy định, nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống Các yếu tố gây tổn thất nhiên liệu gồm có: sự thay đổi liên tục về phẩm chất của nhiên liệu tạo ra nhiễu quá trình, sự không ổn định của các hệ thống điều khiển chính

và chất lượng điều khiển mỗi mạch chưa tốt Để khắc phục những nguyên nhân do

hệ thống điều khiển, cần thiết tiến hành công tác chỉnh định hệ thống điều khiển

Tổng công ty Phát điện 1, một trong những đơn vị tham gia Thị trường Bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam, sở hữu công suất đặt 7.118,1MW, chiếm 14,77% Trong đó có Trung tâm điện lực Duyên Hải là một trong hai trung tâm nhiệt điện lớn nhất tại Việt Nam, là nguồn cung cấp điện chủ yếu cho các tỉnh miền Đông Nam Bộ

và Tây Nam Bộ Sau một thời gian vận hành, mặc dù đang ở giai đoạn đầu của vòng đời dự án, trung tâm vẫn gặp phải một số vấn đề, điển hình trong năm 2018 như [11]:

- Các tổ máy vận hành với độ tin cậy chưa cao như thiết kế, vẫn xảy ra sự cố liên quan tới các thiết bị quan trọng như: lò hơi, máy nghiền, quạt khói, bơm cấp, máy phát, van bypass ;

- Suất tiêu hao nhiên liệu/suất hao nhiệt cao hơn thiết kế, dao động công suất phát điện và lưu lượng nhiên liệu vào lò hơi còn lớn;

- Xảy ra hiện tượng đóng xỉ, với 2 lần đóng xỉ bịt kín phễu thuyền xỉ, phải dừng dài ngày để khắc phục;

- Hệ thống điều khiển DCS hoạt động với nhiều khiếm khuyết, các bộ tham số PID chưa được chỉnh định hợp lý, dẫn tới chưa thực hiện được một số chức năng tự động điều chỉnh

Bên cạnh các nguyên nhân do phẩm chất nhiên liệu không đạt được như tiêu chuẩn thiết kế, việc chưa hiệu chỉnh phù hợp các hệ thống điều khiển phù hợp theo đặc tính nhiên liệu than và sự thay đổi đặc tính truyền nhiệt theo thời gian là nguyên nhân chủ yếu Ngoài ra, các hàm quy đổi mối quan hệ giữa các đại lượng điều khiển phản ánh chưa chính xác mối tương quan sự thay đổi theo thời gian, dẫn tới bộ tham

số điều khiển PID của mỗi hệ thống hoạt động chưa thật sự đạt hiệu quả

Vấn đề đảm bảo nguồn cung nhiên liệu than ổn định và chất lượng luôn được các chủ đầu tư đặc biệt quan tâm Hiện tại và trong tương lai, việc phải sử dụng nguồn nhiên liệu than từ nhập khẩu là điều tất yếu đối với các nhà máy điện Do vậy, việc

tổ chức nghiên cứu những tác động khi sử dụng đốt trộn nhiều loại than tới hiệu quả vận hành của các hệ thống điều khiển nhà máy là rất cần thiết Trong đó, các hệ thống điều khiển cấp phụ tải nhiệt có vai trò quan trọng

Một trong những giải pháp được xem xét là ứng dụng, lắp đặt thêm hệ trí tuệ nhân tạo, giao tiếp với hệ thống điều khiển DCS, giúp nhận dạng và tối ưu hóa quá trình cấp nhiên liệu vào buồng lửa Do vậy, đặt ra yêu cầu cần có nghiên cứu về các

mô hình điều khiển, cũng như phương pháp luận ứng dụng giải pháp chỉnh định có kết hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo

Trong những bối cảnh nêu trên, cần thiết triển khai đề tài nghiên cứu để củng

cố phương án nhận dạng, hiệu chỉnh giúp duy trì sự ổn định của chất lượng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện Do vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài nghiên cứu

“Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt

điện đốt than phun”

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu phương pháp nhận dạng và chỉnh định hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ vận hành ổn định và hiệu quả

Đối tượng nghiên cứu

Hệ điều khiển NMNĐ sử dụng công nghệ đốt than phun áp suất cận tới hạn

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phân tích, nhận dạng và chỉnh định các mạch vòng điều khiển chính của nhà máy nhiệt điện

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu hệ điều khiển của NMNĐ Duyên Hải 1, kết hợp nghiên cứu lý thuyết (hệ điều khiển và mạng nơron) với số liệu thí nghiệm và vận hành của nhà máy

để phân tích, nhận dạng, đánh giá chỉnh định các mạch vòng điều khiển

1.4.2 Đánh giá các mạch vòng cần chỉnh PID

1.4.2.1 Dữ liệu cần thiết để đánh giá

Để đánh giá chất lượng đáp ứng của các vòng điều chỉnh, ta phải có được dữ liệu quá trình, các giá trị mong muốn và giới hạn cho phép của các tiêu chí

Giữ liệu quá trình bao gồm các đại lượng chính sau:

- Giá trị đặt (giá trị mong muốn): SP;

- Giá trị tác động của cơ cấu chấp hành: CO/MV;

- Giá trị thực đo được: PV;

- Hằng số thời gian tích phân của bộ điều chỉnh PID;

- Hằng số thời gian vi phân của bộ điều chỉnh PID;

- Hằng số thời gian bộ lọc;

- Cấu trúc của bộ điều chỉnh, chế độ làm việc bình thường,…

Dữ liệu tiêu chuẩn bao gồm:

- Giá trị mong muốn của tiêu chí đánh giá;

- Ngưỡng cho phép của tiêu chí đánh giá

1.4.2.2 Tiêu chí đánh giá

Để thực hiện việc đánh giá ta phải dựa trên các tiêu chí, từ đó xếp hạng các vòng điều chỉnh tương ứng với mức độ đáp ứng từ tốt nhất đến xấu nhất Thông thường có thể dựa trên khoảng 40 tiêu chí khác nhau bao gồm như: Độ biến động, sai lệch tuyệt đối trung bình, số lần PV dao động quanh SP, sai lệch tĩnh, biên độ nhiễu, biên độ nhiễu của CO, thời gian xác lập, chuẩn Harris, hệ số Harris, sự dao động, dao động

do sự cố của van, dao động do chỉnh định kém, dao động do chịu sự tác động của vòng điều chỉnh khác, tích phân sai lệch tuyệt đối, thời gian hoạt động bình thường,

số lần thay đổi SP, thay đổi mô hình đối tượng, số lần đổi chiều của van, tổng quãng đường dịch chuyển của van, phân tích các chu kỳ dao động…

Việc lựa chọn tiêu chí nào để đánh giá tùy thuộc vào loại đối tượng, yêu cầu công nghệ và cấu trúc vòng điều chỉnh Tuy nhiên thông thường các tiêu chí chính được sử dụng bao gồm: Độ biến động, sai lệch tuyệt đối trung bình, sai lệch tĩnh, hệ

số Harris, sự dao động, tích phân sai lệch tuyệt đối, thời gian hoạt động bình thường Bên cạnh các tiêu chí chính ta sẽ phải kết hợp với các thông số khác như số lần đổi chiều của van, tổng quãng đường dịch chuyển của cơ cấp điều chỉnh, dao động

do sự cố của van, dao động do chỉnh định kém… để đưa ra quyết định cuối cùng cho từng vòng điều chỉnh

Cách đánh giá

Tương ứng với mỗi tiêu chí đã lựa chọn, ta sẽ tính toán được một trọng số theo ngưỡng (theo %):

% Trọng số theo ngưỡng=100%( Giá trị đo - Giá trị mong muốn

Ngưỡng cho phép - Giá trị mong muốn)

Đối với mỗi vòng điều chỉnh, trên cơ sở tính toán trọng số cho từng tiêu chí ta

sẽ tính toán ra một bội số chung gọi là “Hệ số tổng thể”

Công việc thực hiện trước khi chỉnh định

Để công việc chỉnh định mất ít thời gian và hiệu quả nhất, trước khi thực hiện chỉnh định ta phải có được kết quả đánh giá đáp ứng của từng vòng điều chỉnh Quan sát đáp ứng của từng vòng điều chỉnh để xác định các vấn đề của quá trình như: Ma sát tĩnh, sự trễ của van hoặc các cơ cấu có khớp nối, quá trình có tính phi tuyến, kích thước của van không phù hợp

1.4.2.3 Các bước thực hiện chỉnh định vòng điều chỉnh PID

Sau khi có được kết quả đánh giá, trên cơ sở các phán đoán dựa trên đồ thị, ta

sẽ tiến hành công việc chỉnh định cho vòng điều chỉnh

Bước 1: Bước khởi tạo Quan sát đáp ứng trong chế độ tự động điều chỉnh,

không thay đổi giá trị đặt Thay đổi giá trị đặt: một hoặc hai lần Tiếp tục quan sát đáp ứng Chuyển sang chế độ làm việc vòng hở và thay đổi một lượng tác động

Bước 2: Kiểm tra và xác định các vấn đề của quá trình Kiểm tra độ trễ

(Hysteresis) Kiểm tra ma sát tĩnh (Stiction)

Bước 3: Thực hiện chỉnh định Thực hiện quá trình chỉnh định khi tải đang ổn

định Ở chế độ vòng hở (manual mode): thực hiện tăng hoặc giảm CO theo một lượng nhất định (thông thường từ 5 đến 10%) đối với các quá trình tự cân bằng (self regulating process)

Bước 4: Tính toán tham số bộ PID theo cấu trúc hệ thống DCS

Bước 5: Nhập tham số mới cho bộ PID và kiểm tra đáp ứng

1.4.3 Hiệu chỉnh lượng đặt, thông số khởi tạo của toàn bộ quá trình nhiệt trong nhà máy điện theo thời gian [26][31][32][33]

NMNĐ có gần 300 vòng điều khiển, trong đó có 30 vòng điều khiển quan trọng Theo [32] có tới 85% số mạch vòng điều khiển chưa được cài đặt thông số tối ưu Do

đó, nhu cầu biến các thông số của bộ điều khiển PID ngày càng tăng Đặc điểm của các quá trình trong nhà máy nhiệt điện là hệ thống có độ trễ phụ tải, có tính phi tuyến nên khó mô tả rõ ràng động học đối tượng bằng các phương pháp phân tích thông thường nên người ta thường xây dựng mô hình điều khiển theo cấu trúc của điều khiển các mạch vòng [26,31,33]

Các bước cần xem xét, nghiên cứu đang được triển khai bao gồm:

Bước 1: Coi nhà máy điện hoặc mỗi vùng trong nhà máy điện là một hệ cân

bằng vật chất, xác định các đại lượng vào ra của hệ cân bằng Từ đó xây dựng mối quan hệ vào-ra của hệ cân bằng vật chất

Bước 2: Xây dựng mô hình điều khiển mỗi hệ thành phần, xác định sự nối tiếp

của các đại lượng cần điều khiển

Bước 3: Sử dụng các công cụ như mạng nơron, thuật toán mờ… tiến hành nhận

dạng hệ thống, nhận dạng sự thay đổi giữa các đại lượng vào ra, thích nghi theo những tác động của nhiễu quá trình

Bước 4: Huấn luyện và đưa ra các giá trị hiệu chỉnh lượng đặt toàn hệ thống 1.5 KHÁI QUÁT CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN DẠNG

VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP

1.5.1 Khái quát nhận dạng đối tượng điều khiển trong công nghiệp [4][9][12][25][35]

Phương pháp thực nghiệm đo đặc tính tần số bằng tín hiệu dao động của đối tượng nói chung có độ tin cậy cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngẫu nhiên Tuy nhiên, quá trình thực nghiệm xác định đặc tính tần số mất nhiều công sức và kéo dài, hơn nữa, khó kiểm soát được biên độ biến thiên của tín hiệu đầu ra, nên phương pháp này

ít được áp dụng trong thực tế công nghiệp

Trong thực tế quá trình sản xuất công nghiệp, các bộ điều khiển quá trình được chỉnh định theo kinh nghiệm chuyên gia Sau khi lắp đặt hoặc sau một thời gian vận hành, đặc biệt là sau các đợt sửa chữa lớn, rất cần thực hiện công các chỉnh định bộ điều khiển theo sát điều kiện thực tế Như vậy, không cho phép nhận dạng đối tượng theo phương pháp vòng hở thông thường Phương pháp nhận dạng vòng kín được phân biệt thành nhận dạng trực tiếp (sử dụng phần mềm kết nối trực tiếp với hệ thống hoặc xác định qua các thông số vận hành để đánh giá và trực tiếp thay đổi tham số theo hướng thích nghi) và nhận dạng gián tiếp (thu thập số liệu vận hành và xử lý offline trên công cụ khác) [12]

Phương pháp nhận dạng đánh giá theo phương trình bảo toàn năng lượng, động học và mô hình toán học [25,39,40,41] có độ chính xác cao, nhưng thao tác tính toán thực hiện phức tạp, cần nhiều thông số thiết kế, lắp đặt của đối tượng Phương pháp phù hợp với những đối tượng có khâu quá trình ngắn, tập trung vào các hệ thống trao đổi nhiệt như nhiệt độ hơi quá nhiệt, tái nhiệt Đối với những đối tượng thực tế phức tạp, có tính phi tuyến cao và thông số rải như áp suất hơi, mức nước việc tính toán xác định mô hình đối tượng cần thực hiện rất công phu, đòi hỏi chuyên môn sâu nên khó ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Do vậy, để thực hiện chỉnh định bộ điều khiển truyền thống, ngày nay trong công nghiệp người ta áp dụng chủ yếu phương pháp nhận dạng theo đáp ứng quá độ Hiện tại có một số phương pháp nhận dạng theo phân tích:

- Phương trình trạng thái;

- Phương pháp mô phỏng toán học;

- Phương pháp mô hình cấu trúc chức năng

1.5.2 Khái quát về chỉnh định PID trong NMNĐ [4][8][9][24][44]

Cũng theo [44], trong giai đoạn từ 2000-2005, cùng với sự phát triển trong lĩnh vực công nghệ thông tin, số lượng các phương pháp điều chỉnh PID đã tăng từ 258 lên 408 Từ năm 2005 đến nay, các nghiên cứu tập trung phát triển các phương pháp

có kết hợp ứng dụng những thành tựu trong lĩnh vực công nghệ thông tin và kế thừa nguyên tắc của các phương pháp cổ điển Về khả năng ứng dụng thương mại, nhiều nghiên cứu đã xác nhận có tới 90% tổng số các bộ điều khiển được cài đặt trong các mạch vòng điều khiển công nghiệp là bộ điều khiển PID Tuy nhiên, thực tế đáng báo động là chỉ có 20% trong số các mạch vòng được chỉnh định chính xác, 30% được chỉnh định không phù hợp do lựa chọn sai phương pháp tổng hợp, 30% khác có hiệu suất làm việc kém do không biết các đặc tính phi tuyến của đối tượng và 20% còn lại lựa chọn chỉnh định không đầy đủ về chu kỳ lấy mẫu hoặc lọc tín hiệu kém Một số

bộ điều khiển không giúp hệ thống làm việc đạt chất lượng cần thiết Ngoài ra, chúng chỉ làm việc trong mạch vòng hở (nhân viên vận hành tắt chế độ tự động) Dẫn tới, 30% bộ điều khiển hoạt động ở chế độ thủ công, cần sự điều chỉnh và giám sát liên tục của đội ngũ kỹ thuật viên, 25% ứng dụng PID sử dụng các hệ số do nhà sản xuất đặt trước mà không cập nhật giá trị của chúng đối với quy trình cụ thể [44]

Trong số các bộ điều khiển được chỉnh định, có sự khác nhau về phương án mô hình hóa và nhận dạng đối tượng, theo thống kê trên Hình 1.14

Hình 1.14 Tỉ lệ chỉnh định theo các dạng mô hình đối tượng [44]

Các phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID theo đối tượng [44]:

- 37% các bộ điều khiển được chỉnh định thông qua việc mô hình hóa đối tượng

về dạng quán tính bậc nhất có trễ Đây là phương pháp xấp xỉ đặc tính động học của đối tượng sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp

- 18% các bộ điều khiển được chỉnh định theo mô hình đối tượng dạng quá tính bậc 2 có trễ

- 9% các bộ điều khiển được chỉnh định theo mô hình đối tượng dạng tích phân quán tính bậc nhất có trễ

Quán tình bậc nhất có trễ 37%

Quán tính bậc hai có trễ 18%

Tích phân

có trễ 9%

Tích phân quán tính bậc nhất có trễ 9%

Không dùng

mô hình 12%

Mô hình dạng khác 15%

- 12% các bộ điều khiển được chỉnh định mà không dùng mô hình đối tượng

- 15% là các phương pháp mô hình khác

1.5.2.1 Nhóm các công trình chỉnh định truyền thống

Khi đã nhận dạng được mô hình đối tượng cần điều khiển, dưới dạng hàm truyền Laplace, đặc tính quá độ, đặc tính tần số, phương trình trạng thái…, nhiệm vụ của việc chỉnh định bộ điều khiển là tìm ra các tham số của bộ điều khiển tối ưu, đảm bảo

hệ thống vận hành ổn định, bền vững và đáp ứng đầu ra của hệ thống đạt các chỉ số như mong muốn [4][8][9][24][34][43] Một số nhóm giải pháp phổ biến gồm có:

Phương pháp dựa trên đặc tính quá độ

Điển hình là phương pháp Ziegler-Nichols 1, tham số bộ điều khiển P/PI/PID được tính theo theo công thức kinh nghiệm, thông qua kẻ vẽ từ đặc tính quá độ

Ưu điểm của nhóm phương pháp Ziegler-Nichols 2 là đơn giản, kết quả chỉnh định tạm chấp nhận được Tuy nhiên, phương pháp có một số nhược điểm chính:

- Phương pháp chưa xét tới độ dự trữ ổn định của hệ thống;

- Phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần quá trình xác định các tham số;

- Trong quá trình thí nghiệm, đầu ra của hệ thống dao động với biên độ khó kiểm soát và có nguy cơ làm mất ổn định hệ thống;

- Hệ thống được chỉnh định thường có dao động mạnh, độ quá điều chỉnh khá lớn và kéo dài đáp ứng của hệ thống với nhiễu quá trình;

- Hệ số tắt dần đáp ứng đầu ra hệ thống không cao

Phương pháp dựa trên mô hình mẫu

Điển hình có phương pháp mô hình nội, gọi tắt là IMC (Internal Model Control),

do Morari và các cộng sự phát triển đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Bản chất của phương pháp IMC là thiết lập mô hình quá trình song song với đối tượng, thiết lập bộ điều khiển với chỉ tiêu bám lượng đặt và kháng nhiễu Sau đó ta đưa về dạng PID chuẩn [9] Ngoài ra còn có phương pháp tổng hợp trực tiếp

Phương án miền nghiệm

Tác giả đánh giá độ dự trữ ổn định trên cơ sở phân bổ các nghiệm của phương trình đặc tính hệ thống Hệ thống cần đảm bảo độ dự trữ ổn định và dao động đầu ra đạt hệ số tắt dần đủ lớn cho trước Hệ số tắt dần của dao động đầu ra hệ thống được xây dựng trên khái niệm độ dự trữ ổn định cứngmd Dubnikova E.G xây dựng thuật toán trên tiêu chuẩn Nyquist, khi đặc tính hệ hở không đi qua điểm (-1j,0) thì hệ thống vòng kín giữ nguyên sự hội tụ [24] Phương pháp của Dubnikova E.G được coi là