Tóm tắt luận văn nâng cao chất lượng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai

Với những kiến thức của mình cùng sự tìm tòi nghiên cứu và hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hoá đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất củanền kinh tế hiện đại Đặc biệt là công nghiệp và sản xuất điện năng Hệ thống điềuchỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và đảmbảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động của con người

Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, đặc biệt với việcđiều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộđiều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnhvực Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì đã cónhững nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suấtbình Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiệnchất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai

Với những kiến thức của mình cùng sự tìm tòi nghiên cứu và hướng dẫn của

PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng

hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai”.

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của cácthầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái

Nguyên Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm

ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tàikhó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,

cô giáo để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

Đào Hồng Cẩm Mơ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò thenchốt trong quá trình sản điện năng Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất củanhà máy bằng cách lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh sao cho phù hợp, chế độ làmviệc tối ưu của thiết bị theo thông số đã quy định Trong nhà máy nhiệt điện thì quátrình nhiệt đóng một vai trò chủ yếu Các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện rất

đa dạng và luôn thay đổi do ảnh hưởng của nhiên liệu, của chất lượng nước, chế độcủa không khí, đặc biệt là chế độ làm việc không ổn định của các thiết bị chịu nhiệt dovận hành lâu dài Do đó các thông số của công nghệ sẽ thay đổi trong một dải rộng,làm suy giảm hiệu suất của các thiết bị trong nhà máy so với thiết kế ban đầu Gây ra

sự cố dẫn đến hỏng hóc và phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt không thể thựchiện được ở chế độ bình thường Do đó vấn đề điều chỉnh các thông số của quá trìnhnhiệt trong nhà máy là hết sức quan trọng

Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, với nền tảng cơbản là thuật tóan điều khiển PID kinh điển, sau đó là các thuật tóan PID tự chỉnh, PIDlogic mờ, thuật toán điều khiển tối ưu… Xong việc nghiên cứu tìm hiểu các thuật toánđiều khiển vẫn là đề tài nhiều người, nhiều ngành nghiên cứu và mang tính thời sự cao.Điều này cho phép tìm hiểu cặn kẽ và chân thực bản chất của các thuật tóan ứng dụngtrong điều khiển Tìm được ưu nhược điểm của nó để từ đó hạn chế được những mặtyếu và phát huy những mặt mạnh nhằm nâng cao chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu Xuất phát từ yêu cầu thực tế và của bản thân là nâng cao hiểu biết về điều khiển ổnđịnh nhiệt độ phục vụ cho điều khiển nhiệt độ bộ phân sơn nhựa tại công ty Yamaha.Đồng thời nhằm đóng góp thiết thực cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đấtnước nói chung và trong trong lĩnh vực điện tự động hóa nói riêng Đặc biệt với việcđiều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộđiều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnhvực Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong các nhà máy nhiệt điện thì đã cónhững nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suấtbình Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiệnchất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai

2 Mục tiêu của luận văn

Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển kinhđiển PID, qua khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra được các hạn chế củaphương pháp điều khiển này

Để khắc phục các nhược điểm của bộ điều khiển kinh điển, dựa trên cơ sở logic mờ,luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai Bướcđầu tiến hành kiểm nghiệm bộ điều khiển mới bằng phần mềm mô phỏng trên Matlab -Simulink

3 Kết quả thực nghiệm của luận văn

Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò hơi bằng lý thuyết và kiểm nghiệmbằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc trước đây của một luận văn caohọc Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn caohọc cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực Đây là một yêucầu mới về nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường Việc áp dụng sáng tạo các môhình thí nghiệm sẵn có của nhà trường vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạtkết quả tốt Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt

độ của lò hơi của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so vớithực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ điềukhiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống và làm nền tảng cho thiết kế nâng cao chất lượngcho hệ thống

4 Nội dung luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò hơi của nhà máy nhiệt điện

Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng nhiệt độ trong lò hơi nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện

Chương 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện bằng bộđiều khiển mờ lai

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÒ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

1.1.3. Lò hơi nhà máy nhiệt điện

a Sơ lược về lò hơi

b Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện

- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một trong số những chỉ tiêu cơ bản của lò hơi Trongquá trình làm việc của lò nó không được giữ cố định mà luôn luôn thay đổi Nguyênnhân gây nên sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt là do chế độ làm việc của lò hơithay đổi

Những sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt nếu không được điều chỉnh sẽ ảnhhưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế cũng như kĩ thuật của lò và nhà máy

Việc giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt sẽ làm giảm hiệu suất chu trình nhiệt và ảnhhưởng xấu đến điều kiện làm việc của tuabin do độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tănglên Việc tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt quá trị số cho phép sẽ làm giảm điều kiện sứcbền của kim loại ống

Sinh công

Điện năng

Hơi ngưng tụ

Sơ đồ vòng tuần hoàn kín hơi nước trong nhà máy nhiệt điện

Vì vậy phải tìm các biện pháp duy trì nhiệt độ hơi quá nhiệt cố định ngay cả khicác chế độ làm việc của lò thay đổi Những biện pháp này gọi là biện pháp điều chỉnhnhiệt độ hơi quá nhiệt Thông thường nhiệt độ hơi quá nhiệt chỉ cho phép sai lệch+100C và -150C.

Việc sử dụng bộ quá nhiệt cũng có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.Nếu tỉ lệ hấp thụ nhiệt hợp lí giữa các phần bức xạ và đối lưu thì trong nhiều trườnghợp khi chế độ làm việc của lò thay đổi thì nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng không thayđổi Với bộ quá nhiệt, khi tăng phụ tải, nhiệt lượng hấp thu trong phần đối lưu tănglên trong khi phần bức xạ hầu như không tăng do nhiệt độ cháy lí thuyết hầu như tăngrất ít

Có hai phương pháp chủ yếu dùng để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là điềuchỉnh bằng hơi và điều chỉnh bằng khói

1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ

NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

d Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

e Các phương pháp điều chỉnh nhiệt đô hơi quá nhiệt ở nhà máy

Để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt có 2 phương pháp

 Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi

 Điều khiển van nước phun giảm ôn

f Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi

Thực tế thực hiện phương pháp này ta dùng các cơ cấu điều chỉnh thay đổi gócđặt của vòi đốt, vì thế thay đổi được nhiệt hấp thụ trong lò hơi, nhiệt độ khói sẽ thayđổi, sự trao đổi nhiệt giữa khói và hơi cũng thay đổi

Với phương pháp điều khiển này thì mỗi cách điều khiển khác nhau thì có đặctính điều khiển nhiệt độ riêng Quán tính của quá trình nhiệt là lớn, tác động củaphương pháp điều chỉnh khá chậm, hằng số thời gian cỡ vài phút Để có thể tác độngnhanh hơn, người ta thường dùng tới phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi bằngphương pháp điều khiển van phun nước giảm ôn

g Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt dùng phương pháp điều khiển van phun nước giảm ôn

Nước dạng sương mù được phun trực tiếp vào hơi, các hạt nước được phun thànhbụi nhỏ hỗn hợp với hơi quá nhiệt và bốc thành hơi Như vậy bằng cách phun nướcvào hơi cũng làm giảm nhiệt độ của hơi quá nhiệt

1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện,luận văn đề xuất đi sâu nghiên cứu bình bao hơi là một thiết bị giữ một vai trò quantrọng nhất của thiết bị lò hơi, quá trình làm việc của bao hơi rất phức tạp do ảnh hưởngcủa sự thay đổi của phụ tải Chế độ làm việc của bao hơi phải luôn luôn giữ ở chế độlàm việc ổn định với trị số cho phép

Trong bao hơi thì thông số về nhiệt độ là vô cùng quan trọng gắn liền với quátrình thuỷ động trong lò hơi Cần phải giữ nhiệt độ trong bình ở trị số cho phép để đảmbảo quá trình làm việc được năng suất và hiệu quả nhất

Do đó hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bình bao hơi được đặt ra với yêucầu rất cao và nghiêm ngặt Nó đảm bảo sự làm việc ổn định của lò hơi giữ được quátrình thuỷ động học trong lò hơi và làm tăng tuổi thọ của các thiết bị trao đổi nhiệttrong lò hơi

CHƯƠNG 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG

LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 KHÁI QUÁT CHUNG

2.2 MÔ TẢ TÓAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.2.1 Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hìnhsau

a Thiết bị đo

Hàm truyền đạt thiết bị đo nhiệt độ bình bao hơi là một khâu quán tính bậc nhất

s T

K S

W

d d



 1 ) (

T K

MAX MAX

T: thời gian trễ của thiết bị đo, thường lấy T = 0,01(s)

=> W d S s

01 0 1

1 )

Trong thực tế hàm truyền của van thường được coi là khâu quán tính bậc nhất

có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu quán tính bậc nhất:

( )1

V V

K: hệ số khuyếch đại của van

T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 20 ms = 0,02s

Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5  80% thì nhiệt độ thay đổi từ 0  40 Từ

đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa nhiệt độ qua van và độ mở của van là:

5 0 5 80

Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khínén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:

s

G V

2 1

50





c Đối tượng điều khiển

Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là nhiệt độ bình bao hơi, thông qua việc tiếnhành thí nghiệm lấy đường đặc tính động của nhiệt độ với tác động điều chỉnh là lưulượng nước phun giảm ôn người ta đã thu được đặc tính quá độ của đối tượng Hàmtruyền đạt của các đối tượng không có tính tự cân bằng được mô tả dưới dạng gầnđúng là một khâu tích phân có trễ sau:

1

s dt

K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền K=0.08

 : hằng số thời gian trễ Thường lấy  = 15 (s)

T: Hằng số thời gian của đối tượng T=0.01

K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền K=0.08

Khi đó hàm truyền của đối tượng là:

1 01 0

08 0 ) (

G

s đt

Khâu trễ e -15s có thể biến đổi gần đúng như sau:

đo nhiệt độ hơi quá nhiệt được lấy từ 3 đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của tínhiệu

Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau:

và cơ cấu chấp hành Các công việc này, sẽ tiến hành ở chương sau nhằm chuẩn bị cầnthiết cho thiết kế cấu trúc điều khiển cho đối tượng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt.

K

T s

R(s)

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển bao gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu

vi phân (D) PID là một tập thể hoàn hảo gồm 3 tính cách khác nhau:

- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỉ lệ P)

- Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (I)

- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi tình huống trong

quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân D).

3.1.1 Chọn luật điều khiển PID

- Vòng điều khiển nhiệt độ: Đặc tính động học của quá trình và của cảm biếnnhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành Đối với một số bài toán quá trìnhcòn có thể có đặc tính dao động hoặc thậm chí không ổn định Phép đo nhiệt độ chậmnhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu Vì thế, ta nên sử dụng luật PID để cải thiệntốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn

3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn

- Tổng hợp theo tối ưu độ lớn, ta sử dụng bộ điều khiển PID:

3.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG TRÊN

MATLAB-SIMULINK

3.2.1 Cấu trúc mô phỏng

Sơ đồ cấu trúc mô phỏng điều khiển nhiệt như sau

Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt lò hơi

3.2.2 Các kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò hơi khi có nhiễu và không có nhiễu cónhiễu

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi khi có nhiễu

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi khi không có

nhiễu

3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THỆ THỐNG BẰNG THỰC NGHIỆM

3.3.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm3.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm

Tiến hành thực nghiệm với mô hình điều khiển ổn định nhiệt độ bình chứa có đặctính gần giống như đặc tính của nhiệt độ hơi quá nhiệt tại phòng thí nghiệm trường Đạihọc Kỹ thuật Công nghiệp nhận thấy Khi để giá trị đặt của nhiệt độ theo yêu cầu,nhiệt độ của bình chứa tăng dần và sau một khoảng thời gian nhiệt độ sẽ bằng vớinhiệt độ yêu cầu Tuy nhiên nhận thấy đặc tính còn chưa đạt, như thời gian quá độ lớn,lượng quá điều chỉnh cao Để cải thiện đặc tính ta sử dụng bộ điều khiển tham số PID,bằng cách thay đổi các thông số PID một cách phù hợp ta sẽ lấy được đường đặc tínhtốt nhất theo yêu cầu điều khiển ổn định nhiệt độ

3.3.3. So sánh với kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng về điều khiển mức như trên hình 3.3.2 và kết quả thựcnghiệm như trên hình 3.1.2 có những sai lệch với nhau về lượng quá điều chỉnh, sailệch tĩnh và thời gian quá độ Thông qua thực nghiệm trên mô hình điều khiển mứccủa trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã chứng tỏ mối liên hệ giữathực tiễn và lý thuyết Qua đó, nâng cao được nội dung và kết quả cho luận văn về tínhứng dụng vào thực tế

Kết quả thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Chương 3 của luận văn đã thiết kế được bộ điều khiển PID để điều khiển đốitượng là nhiệt độ bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện Bộ điều khiển đã đáp ứng đượcyêu cầu đặt ra và đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phầm mềm Matlab-Simulink trên mô hình thực nghiệm thiết bị lò hơi của trường Đại học Kỹ thuật côngnghiệp Thái Nguyên Đây là một nội dung rất quan trọng so sánh kết quả giữa mô hình

mô phỏng và thí nghiệm thực tế của luận văn đã chứng tỏ mối liên hệ giữa lý thuyết vàthực tế