nâng cao chất lượng hệ điêu KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG ứng dụng trong công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CAO THỊ THU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CAO THỊ THU

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

MÃ SỐ: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp

Phản biện 1: TS Đỗ Trung Hải

Phản biện 2: GS.TS Bùi Quốc Khánh

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 15 giờ 30, ngày 24 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Van điều khiển được ứng dụng nhiều trong công nghiệp: van khí nén, van điện, van thủy lực là thiết bị chấp hành trong hệ điều khiển tự động Trong luận văn này tác giả chọn van điện để điều khiển khói cho lò hơi trong nhà máy nhiệt điện Việc chọn hệ thống truyền động cho van này một cách hợp lý nghĩa là vừa thỏa mãn được yêu cầu truyền động cho van đồng thời thích hợp với các thiết bị thí nghiệm của nhà trường, có như vậy luận án này vừa giải quyết được lý thuyết đồng thời kiểm nghiệm được thực tế Trên cơ sở nghiên cứu, kháo sát hệ truyền động đề xuất phương pháp đê nâng cao chất lượng cho hệ điều khiên chuyển động làm cho hệ đam bao chất lượng cao Với cách đặt vấn đề như trên khi giải quyết thành công bản luận án này sẽ mang tính thực tiễn,tính lý thuyết chứa đựng tính khoa học cao

2 Mục tiêu của luận văn:

- Tìm hiêu tổng quan những yêu cầu của hệ điều khiển chuyển động van được ứng dụng cho lò hơi công nghiệp từ đó đề xuất được hệ truyền động thích hợp nghĩa là đáp ứng dược yêu cầu truyền động nhưng đồng thời thí nghiệm được trong phòng thí nghiệm

- Về mặt lý thuyết đã giải quyết đầy đủ những vấn đề liên quan đến chuyển động van bao gồm tính toán, khảo sát và mô phỏng hệ điều khiển chuyển động cho hệ điều khiển van giúp cho việc đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của hệ cho van cánh hướng

- Thí nghiệm thành công hệ truyền động của trường cụ thế là hệ T-Đ với những chế độ làm việc khác nhau từ kết quả này so sánh với kết quả

lý thuyết để từ đó khẳng định hệ truyền động được chọn và đã thí nghiệm là hệ T-Đ thỏa mãn để điều khiển chuyển động van

- Xây dựng được hệ điều khiển ổn định vị trí của van cánh hướng dựa trên cơ sở hệ T-Đ đã chọn để khảo sát, đánh giá sơ bộ chất lượng hệ điều khiển vị trí này

- Trên cơ sỏ phân tích những hạn chế của mạch vòng vị trí đề xuất bộ điều khiển phi tuyến thích hợp(mờ lai, mờ thích nghi) nhằm nâng cao chất lượng hệ thống

3 Dự kiến kết quả:

- Hoàn thành phẩn tổng quan về truyền động van

- Chọn hệ truyền động thích hợp bao gồm cả tính toán lý thuyết và thí nghiệm thành công

- Xây dựng được hệ điều khiển mạch vòng vị trí đồng thời mô phỏng, đánh giá sơ bộ hệ thống này

- Chọn phương án mờ thích nghi để nâng cao chất lượng

4 Nội dung của luận văn:

Với những vấn đề được đề xuất ở những phần trên bản luận văn này sẽ thực hiện và chia làm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển van trong công nghiệp Chương 2: Khảo sát,tính toán và kiểm nghiệm hệ T-Đ để điều khiển van cho lò hơi

Chương 3: Khảo sát mạch vòng vị trí ổn định chuyển động cánh hướng van hơi

Chương 4 : Ứng dụng điều khiên mờ thích nghi để nâng cao chất

lượng hệ truyền động van cho lò hơi công nghiệp

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP

1 Van điều khiển:

van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất Van điều khiển cho phép điều khiển lưu lượng của một lưu chất qua ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển

1.1 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển:

Hình 1-2 Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén

1.2 Kiểu tác động của van:

2 Ứng dụng van để điều khiển khói cho lò hơi

3 Các hệ truyền động điều khiển van:

Ở bản luận văn này sẽ nghiên cứu điều khiển van cánh hướng

và sơ đồ khối được thể hiện như hình 1-12

Kết luận chương 1:

- Tổng quan về van điều khiên

- Ứng dụng van điều khiển để điều khiển khói cho lò hơi

- Chọn được hệ truyền động T- Đ làm hệ thống truyền động để điều khiển chuyển động vị trí cánh hướng van

- Chương tiếp theo sẽ tính toán khảo sát, và kiềm nghiệm cho lò hơi công nghiệp

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ T-Đ ĐỂ ĐIỀU

KHIỂN VAN CHO LÒ HƠI

Sơ đồ khối hệ truyển động T-Đ cho truyền động van lò hơi được thể hiện như hình vẽ 2-1

Cảm biến vị trí

Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí van cho lò hơi

2.1 Tính toán và khảo sát hệ truyền động T-Đ:

2.1.1 Tổng hợp hệ điều khiển R i và R :

Hình 2-2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:

Hình 2-3 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau:

2.1.1.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ

a Thiết bị mạch động lực bao gồm:

Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu 3 pha

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch điện:

2.2.1.2 Mạch tạo xung điều khiển:

a Sơ đồ và thiết bị mạch:

b Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung điều khiển:

2.2.1.3 Mạch phụ tải:

a Thiết bị mạch phụ tải bao gồm:

b Sơ đồ nguyên lý tải:

Hình 2- 12 Sơ đồ nguyên lý mạch điện của hệ tải

2.2.2.Sơ đồ lắp ráp:

Sơ đồ lắp ráp bộ chỉnh lưu thê hiện ở hình 2.13 kèm theo bảng

kê chức năng của các thiết bị trên mô đun:

Hình 2-13 Sơ đồ bố trí thiết bị trên modul chỉnh lưu cầu 3 pha

2.2.3 Qúa trình thí nghiệm:

Để đo và kiểm nghiệm dùng máy hiện sóng 3 tia đo được:

2.2.3.1 Điện áp đồng bộ hoá và điện áp răng cưa

* Điện áp đồng bộ hoá ở một mạch tạo xung

Hình 2-14 Điện áp khâu đồng bộ hóa

* Điện áp răng cưa ở một kênh tạo xung

Hình 2-15 Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa

* Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

Hình 2-16 Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

2.2.3.2 Thí nghiệm

* Thí nghiệm 1: Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P

Hình 2-17 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P

* Thí nghiệm 2: Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI

- Kết quả:

Hình 2-18 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI

* Thí nghiệm 3: Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P

Hình 2-19 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P

 Thí nghiệm 4: Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều

khiển PI

Hình 2-20 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển PI

2.3 Đánh giá kết quả thí ngiệm hệ truyền động T-Đ:

Kết luận chương 2:

- Tổng hợp được bộ điều khiển dòng điện RI

- Tổng hợp được mạch vòng tốc độ

- Xây dựng được sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ

- Thí nghiệm được hệ T-Đ cho truyền động van

- Chương tiếp theo sẽ khảỏ sát hệ truyền động vị tri cánh hướng van

CHƯƠNG 3 KHÁO SÁT MẠCH VÒNG VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG

CÁNH HƯỚNG VAN HƠI 3.1 Đặt vấn đề:

Hình 3-1 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí

3.2 Quá trình tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí:

Hình3-2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí

Hình 3-3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí

3.3 mô phỏng hệ điều khiển vị trí ổn định cánh hướng van:

3.3.1.tính toán các thông số của hệ:

3.3.1.1 Các thông số cho trước của hệ truyền động:

3.3.1.2 Tính toán các thông số và hàm số truyền hệ truyền động:

R(p)=1,656(1+0,0268p)

3.3.2 kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID:

SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK

Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình 3-4 và dùng Matlab simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình…

3.3.2.1 Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của

Vị trí cánh hướng

3.3.2.2 Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí

Các chỉ tiêu chất lượng của vị trí

- Xây dựng được sơ đồ điều khiển vị trí

- Tổng hợp được hệ điều khiển chuyển động vị trí

- Mô phỏng được trên matlab simulink

- Vì chọn là khâu tuyến tính nên chất lượng không cao, chương tiếp theo sẽ ứng dụng mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIÊN MỜ THÍCH NGHI ĐÊ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG VAN CHO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP

4.1.Đặt vấn đề:

4.2 Định nghĩa hệ mờ thích nghi:

4.2.1 Điều khiển mờ

4.2.2 Điều khiển thích nghi

Trong luận văn này chọn điều khiển mờ theo hình mẫu:

Hình 4-8 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra

Hình 4-9 MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra

và hệ số tích phân sai lệch đầu vào

4.2.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient 4.2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov

4.2.2.3 Phân loại

4.2.2.4 Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi

Các bộ điều khiển mờ thích nghi rõ và mờ đều có mạch vòng thích nghi được xây dựng trên cơ sở 2 phương pháp:

Hình 4-12 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

Hình 4-13 Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

4.3 Thiêt kế bộ điều khiên mờ thích nghi:

4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ:

4.3.1.1 Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ

* Chọn các hàm liên thuộc

* Chọn luật điều khiển

* Các thao tác mờ trong ô suy luận

- Mờ hoá

- Suy diễn mờ

- Giải mờ

4.3.2 Xây dựng hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song:

4.3.2.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển

- Luật thích nghi theo Lyapunov

* Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra bộ điều khiển

Hình 4-26 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID

và bộ điều khiển mờ thích nghi

4.3.3.7 Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển

mờ thích nghi

Vị trí cánh hướng

a Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí

b Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí

Nhận xét:

Hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển thích nghi rõ ràng có chất lượng tốt hơn so với bộ điều khiển PID thể hiện qua hình 4-27

Hình 4-27 Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi

- Nêu được lý do chọn mờ thích nghi để nâng cao chất lượng

- Thiết kế được bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống

- So sánh đánh giá chất lượng so với bộ điều khiển PID

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Với đề tài nghiên cứu’’ nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động van cánh hương ứng dụng trong công nghiệp’’ và từ đề tài

đó trong phân đầu đã đề cập đến tính cấp thiết, mục tiêu cũng như dự kiến đạt được, cụ thể là nội dung bản luận văn được trình bày trong 4 chương cho ta những kết quả như sau:

- Gỉaỉ quyết những yêu cầu chung về yêu cầu truyền động cũng như lý thuyết liên quan đến hệ điều khiên chuyển động van cánh hướng

- Chọn được hệ T-Đ truyền động cho van, hệ này là một hệ truyền động đang được sử dụng phổ biến ngoài công nghiệp đồng thời nó được sử dụng trong phòng thí nghiệm của nhà trường vì vậy bàn luận văn này đã hoàn thiện được lý thuyết đồng thời đã thí nghiệm thành công từ đó đề xuất xây dựng T-Đ truyền động cho van là hợp lý , có tính khả thi cao

- Trên cơ sơ hệ truyền động T-Đ đã xây dựng được hệ điều khiển ổn địnhvị trí cho van cánh hướng và đã tính toán khảo sát,mô phỏng cụ thể giúp cho việc đánh giá sơ bộ chất lượng hệ chuyển động van

- Ứng dụng hệ điều khiển mờ thích nghi là một bộ điều khiển ứng dụng cho hệ phi tuyến tính đã thay thế cho bộ điều khiển PID sau khi khảo sát,mô phỏng, hệ truyền động vị trí van cánh hướng với hai bộ điều khiển PID và mờ thích nghi thì thấy mò thich nghi tốt hơn(đã so sánh

cụ thê trong luận văn)

Kiến nghị:

- Trong bản luận văn này chỉ dừng lại ở việc tính toán và kiểm nghiệm

hệ truyền động,còn ở phần điều khiển chuyên độngvị trí PID và mờ thích nghi là chưa kiểm nghiệm được vậy trong bản luận văn này tác giả kiến nghị có thể ứng dụng hệ truyền động khác thay thế cho hệ truyền động T-Đ, ví dụ như: hệ biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha roto ngắn mạch là hệ truyền động mới đang đựơc sử dụng phổ biến, đồng thời phải kiểm nghiệm không chỉ hê truyền động mà kiểm nghiệm hệ điều khiển chuyển động cánh hướng van

- Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm,lý thuyết tìm cách ứng dụng vào thực tế