Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Ý nghĩa khoa học của đề tài Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, đề tài sẽ mang lại một hướng mớ

LÊ MIN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN

HOÀN ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LÊ MINH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 14 tháng 05 năm 2018

Tác giả luận án

LÊ MINH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN ỨNG DỤNG TRÍ

TUỆ NHÂN TẠO

Học viên: Lê Minh Thành Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16 Khóa: 33 Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHĐN

Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau trong điều

khiển tự động đang được quan tâm và nghiên cứu sử dụng để đạt được lợi ích tốt nhất Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn thường khá phức tạp do đối tượng có tính trễ và phi tuyến Nếu có thể sử dụng các bộ điều khiển thông minh kết hợp tốt các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển Luận văn khái quát chung về lò hơi tầng sôi tuần hoàn và điều khiển nhiệt độ lò thông qua các bộ điều khiển PID, mờ và PID nơron Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Từ khóa- Lò hơi tầng sôi tuần hoàn, nhiệt độ, mạng nơ ron, điều khiển mờ

CONTROL TEMPERATURE OF CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER USING ARTIFICIAL INTELLIGENCE

Abstract: Currently, the use of a variety of controlling methods in automatic control is

being considered and researched to achieve the best benefit Controlling temperature of the circulating fluidized bed boiler is usually quite complex because of its delays and nonlinearities If it is possible to use smart controllers combining many methods together, it can bring a pretty high efficiency in the temp of controlling Essay provides

a general overview of circulating fluidized bed boiler and its temperature controlling by using PID, fuzzy, PID neuron The author has given the results obtained in the process

of searching and provided the research direction for the next topic

Key words- Circulating fluidized, temperature, neuron network, fuzzy control

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do chọn đề tài 9

2 Mục tiêu nghiên cứu 9

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

4 Nội dung nghiên cứu 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 10

7 Cấu trúc luận văn 10

CHƯƠNG 1 12

TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN 12

1.1 Giới thiệu chung về lò hơi 12

1.1.1 Định nghĩa 12

1.1.2 Phân loại lò hơi 12

1.2 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật tầng sôi 13

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi: 14

1.2.2 Vật liệu sử dụng trong lò tầng sôi: 15

1.3 Phân loại lò hơi tầng sôi 15

1.3.1 Lò hơi tầng sôi bong bóng: 15

1.3.2 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn: 16

1.4 Giới thiệu lò hơi tầng sôi tuần hoàn 17

1.4.1 Cấu tạo 17

1.4.2 Nhiên liệu 17

1.4.3 Quá trình cháy của nhiên liệu 18

1.5 Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn 22

1.5.1 Các phương pháp điều khiển phổ biến 22

1.5.2 Mô hình hóa hệ thống và đề xuất phương án điều khiển 26

1.5.3 Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn 28

CHƯƠNG 2 30

TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ 30

2.1 Đặt vấn đề 30

2.2 Tổng quan về điều khiển mờ 30

2.2.1 Giới thiệu 30

2.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 32

2.3 Tổng quan về mạng nơron 41

2.3.1 Giới thiệu 41

2.3.2 Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo 42

2.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 43

2.3.4 Mô hình nơron 45

2.3.5 Cấu trúc mạng 46

2.3.6 Huấn luyện mạng 48

2.3.7 Tổng quan về mạng nơron hàm cơ sở bán kính xuyên tâm RBFNN 49

CHƯƠNG 3 53

MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ 53

3.1 Điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển PID 53

3.1.1 Khái niệm về bộ điều khiển PID 53

3.1.2 Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID 54

3.2 Điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển mờ 57

3.3 Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử dụng bộ điều khiển NN-PID 62

3.3.1 Bộ điều khiển NN-PID 64

3.3.2 Xây dựng bộ nhận dạng đối tượng sử dụng mạng RBFNN 65

Tổng hợp đánh giá các bộ điều khiển 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FIS Fuzzy inference system

NN-PID Neural Network-Porportional integral derivative RBFNN Radial Basic Function Neural Network

SISO Single Input Single Output MIMO Multi Input Multi Output

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Thông số đạt được của bộ điều khiển PID 56

3.3 Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ 62 3.4 Thông số đạt được của bộ điều khiển NN-PID 68 3.5 Tổng hợp các số liệu từ các bộ điều khiển 69

1.3 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi bong bóng 16 1.4 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn 16 1.5 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn 17

1.7 Sơ đồ điều khiển lượng khí vào buồng đốt 24 1.8 Sơ đồ điều khiển lượng gió từ quạt chính 24

2.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 32 2.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 33 2.3 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành max-min 35 2.4 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành max-prod 36 2.5 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min 37 2.6 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod 38

2.10 Giải mờ bằng phương pháp điều khiển trọng tâm 41

b

3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển với bộ điều khiển PID 54 3.3 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò hơi tầng sôi tuần hoàn 55

3.5 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò hơi 56

3.14 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ cho lò hơi 62 3.15 Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò hơi 63 3.16 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID- một nơ ron 64

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, đặc biệt đối với nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa, cũng chính vì mục tiêu đó mà việc ứng dụng các phương pháp điều khiển mới linh hoạt hơn vào điều khiển tự động là rất cần thiết

Những phương pháp điều khiển cổ điển hầu như dựa trên nền toán học chính xác Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển ứng dụng trí tuệ nhân tạo bắt nguồn từ những sách lược

và kinh nghiệm của chuyên gia đã có thể thoát được những ràng buộc từ những phương pháp toán học chính xác Cũng chính vì vậy mà điều khiển ứng dụng trí tuệ nhân tạo được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển quá công nghiệp Phương pháp điều khiển sử dụng mạng nơron tái tạo lại chức năng giống con người đã mở ra một hướng mới trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật và kinh tế

Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn thường khá phức tạp do đối tượng có tính trễ và phi tuyến Ngày nay với sự ra đời của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp chắc chắn sẽ có những điểm mạnh riêng Nếu có thể kết hợp tốt các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển

Cũng chính vì những yếu tố trên mà việc kết hợp phương pháp PID truyền thống

và mạng nơron được nghiên cứu là mục đích của đề tài “Điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng

sôi tuần hoàn ứng dụng trí tuệ nhân tạo”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu các đặc trưng của mạng nơron nhân tạo, khả năng và các nguyên tắc để ứng dụng thành công mạng nơ ron nhân tạo trong thực tế Xây dựng lý thuyết sử dụng mạng nơ ron giám sát và điều khiển nhiệt độ lò hơi Làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về lò hơi và nền tảng để chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần

hoàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình thay đổi nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

- Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron

- Phần mềm Matlab & Simulink mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

- Mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình lò hơi tâng sôi tuần hoàn

- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron và mạng nơron kết hợp với phương pháp điều khiển truyền thống

- Nghiên cứu xây dựng mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn bằng phần mềm Matlab & Simulink

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc làm mô phỏng thực nghiệm:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng điều khiển

mờ, mạng nơron nhân tạo và mạng nơron bán kính xuyên tâm RBF

- Nghiên cứu bộ điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển mờ nơron để điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

- Đề tài thực hiện trong phạm vi mô phỏng mô hình trên công cụ Matlab – Simulink

sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu trong thực tế

- Trên cơ sở các kết quả mô phỏng rút ra kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, đề tài sẽ mang lại một hướng mới trong việc thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ trong lò hơi tầng sôi tuần hoàn, ngoài việc dùng bộ điều khiển PID hoặc bộ điều khiển mờ Các bộ điều khiển thông minh có thể cho khả năng điều khiển tốt hơn đối với đối tượng điều khiển là nhiệt độ

6.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài thực hiện làm cơ sở để thực hiện các bộ điều khiển sử dụng kết hợp phương pháp điều khiển PID truyền thống và mạng nơron với chất lượng đạt yêu cầu áp dụng với các đối tượng có độ trễ, phi tuyến và trong môi trường có nhiễu tác động trong quá trình làm việc

7 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN

Giới thiệu về lò hơi, mô hình, nguyên lý hoạt động

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ

Chương này tổng hợp trình bày lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron và mạng nơron với phương pháp PID truyền thống

Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI TẦNG SÔI

TUẦN HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ

Điều khiển bằng các phương pháp PID, mờ, nơron PID kết hợp mạng nơron giám sát Tổng hợp và đánh giá các bộ điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI TẦNG SÔI TUẦN HOÀN

1.1 Giới thiệu chung về lò hơi

1.1.1 Định nghĩa

Lò hơi là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra

từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến nước thành hơi Nghĩa là lò hơi là thiết bị thực hiện quá trình biến đổi, chuyển hoá năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi

Lò hơi có mặt khá phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp Trong các nhà máy công nghiệp như: nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc lá, dệt, chế biến thực phẩm, hơi nước phục vụ cho các quá trình công nghệ: đun nấu, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, có áp suất hơi tương ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ Loại lò hơi này được gọi là

lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ

Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi sử dụng là hơi quá nhiệt có áp suất

và nhiệt độ cao Loại này được gọi là lò hơi để sản xuất điện năng…

1.1.2 Phân loại lò hơi

Lò hơi theo được phân loại theo nhiều cách:

- Theo nhiệm vụ của lò hơi trong sản xuất: lò hơi công nghiệp và lò hơi sản xuất điện năng

+ Lò hơi công nghiệp: phục vụ cho các quá trình công nghệ ở các nhà máy sản xuất công nghiệp (thường sản xuất hơi bão hoà, áp suất hơi không vượt quá 2Mpa, nhiệt

lò buồng đốt xoáy, lò buồng lửa tầng sôi

- Theo chế độ tuần hoàn của nước trong lò: lò tuần hoàn tự nhiên, lò tuần hoàn cưỡng bức, lò trực lưu

Tuy nhiên, cách phân loại này chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi, thực

tế khi gọi tên lò hơi người ta thường kết hợp nhiều kiểu phân loại

1.2 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật tầng sôi

Tầng sôi là một vùng không gian được tạo bởi các hạt rắn gồm: than, tro, cát, đá vôi… những hạt này được nâng lên và lơ lửng trong buồng đốt nhờ áp lực của dòng không khí

Khi dòng không khí xuyên qua lớp hạt rắn, dòng khí tạo xu hướng tách các hạt ra khỏi nhau, làm cho lớp liệu trong buồng đốt giãn nở, sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên liệu tăng lên nhiều Ở trạng thái này các hạt chuyển động tự do và sôi giống như chất lỏng nên gọi là tầng sôi

Hình 1.1 Buồng đốt lò hơi tầng sôi

Lò hơi tầng sôi được phát minh lần đầu tiên vào thập niên đầu của thế kỷ 20 ở nước Anh, áp dụng cho các công nghệ xúc tác, chọn quặng, sấy Năm 1921, ở Đức đã áp dụng tầng sôi để khí hoá than Việc ứng dụng hàng loạt quá trình tiếp xúc khí - chất rắn mới này được bắt đầu vào những năm 1950, trong công nghiệp dầu mỏ để cracking dầu nặng Vào giữa những năm 1960, kỹ thuật tầng sôi bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất hơi nước Giáo sư Douglas Elliott ở Anh được coi là cha đẻ của lò hơi tầng sôi

Cho đến nay, trên thế giới có hàng ngàn lò hơi tầng sôi (lò hơi dùng buồng lửa tầng sôi)

có công suất đơn vị đến hàng trăm tấn hơi trong một giờ Ở Việt nam hiện nay, lò hơi tầng sôi được sử dụng khá phổ biến, như ở các nhà máy nhiệt điện Bãi Bằng, Na Dương, Cao Ngạn, dệt Nam định…

Phương pháp đốt nhiên liệu rắn trong tầng sôi có thể được coi là một giải pháp công nghệ mới về nguyên lý so với phương pháp đốt lớp chặt nằm trên ghi và phương pháp đốt nhiên liệu rắn dạng bột phun vào không gian buồng lửa

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tạo tầng sôi

Với : ∆P là giáng áp trước và sau lớp nhiên liệu

ω là tốc độ gió

Ban đầu, lớp hạt nhiên liệu rắn nằm yên trên ghi có độ cao h

Khi cho dòng không khí qua lưới phân phối vào lớp hạt nhiên liệu với tốc độ nhỏ, lớp hạt không dịch chuyển Tăng dần tốc độ ω gần bằng tốc độ ωs, chiều cao lớp liệu vẫn không đổi ( trạng thái A), trở lực của lớp sôi tăng lên

Khi tiếp tục tăng tốc độ đến ω = ωs, lúc này áp lực của dòng khí cân bằng trọng lực của lớp liệu, lớp liệu bắt đầu chuyển động ( trạng thái B), các hạt chuyển động lơ lửng trong pha khí, xoáy trộn với nhau và chuyển động hỗn loạn, độ rỗng và chiều cao của lớp liệu tăng lên, trạng thái này gọi là trạng thái sôi

Khi tốc độ dòng khí ω > ωs, bắt đầu xuất hiện những bọt khí, túi khí, các bọt khí này chuyển động lên trên bề mặt lớp sôi và vỡ ra làm cho chiều cao lớp sôi dao động Khi vận tốc dòng khí đạt đến ωc, lớp liệu có độ rỗng lớn nhất, các hạt liệu treo lơ lửng trong buồng đốt, không lắng xuống cũng như không bị bay ra khỏi buồng lửa ( trạng thái C)

Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí cho đến khi vượt vận tốc cuốn theo ωc thì kết thúc trạng thái sôi, lớp liệu sẽ có các hạt liệu bị cuốn theo dòng khí bay ra khỏi buồng đốt ( trạng thái D)

Do đó để tạo lớp sôi, ta phải duy trì tốc độ dòng khí từ ωs đến ωc

1.2.2 Vật liệu sử dụng trong lò tầng sôi:

Trong quá trình đốt nguyên liệu của lò hơi tầng sôi, người ta thường cho vào buồng lửa các vật liệu để nâng cao nhiệt độ các thành phần cháy lên đến nhiệt độ phản ứng Vì vậy, vật liệu này cần đảm bảo các tính chất sau:

- Nhiệt dung riêng lớn (vật liệu phải chịu được nhiệt độ cao )

- Khối lượng riêng nhỏ (giảm trở lực khi quạt thổi vào buồng lửa)

- Độ nhẵn bề mặt cao (dễ tạo tầng sôi )

- Giá thành thấp, dễ kiếm

Trong thực tế, người ta thường sử dụng cát thạch anh làm vật liệu sôi vì nó đáp ứng được hầu hết các yêu cầu

1.3 Phân loại lò hơi tầng sôi

Có hai kiểu lò hơi tầng sôi:

- Lò hơi tầng có bọt khí (bong bóng)

- Lò hơi tầng sôi tuần hoàn

1.3.1 Lò hơi tầng sôi bong bóng:

Lò hơi tầng sôi bong bóng có vận tốc của dòng khí thấp, khoảng 1.2-3 m/s

Chiều cao của lớp sôi bong bóng thường trong khoảng từ 1m đến 1.65m Kích thước hạt nhiên liệu cấp vào thô, quá trình cháy xảy ra hầu hết ở trong lớp Thời gian lưu lại của những hạt nhiên liệu mịn thường ngắn tương đương với thời gian lưu lại của khí cháy

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi bong bóng

1.3.2 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn:

Lò hơi tầng sôi tuần hoàn có vận tốc tạo sôi khoảng 4.5-6.7 m/s

Chiều cao của lớp sôi cũng lớn hơn nhiều so với lò hơi tầng sôi kiểu bong bóng, nên có nhiều hạt nhiên liệu bị thổi bay ra ngoài tầng sôi hơn Những hạt này sẽ được gom lại bởi thiết bị lọc và cho tuần hoàn trở lại buồng lửa Thời gian lưu lại của hạt trong buồng lửa được xác định theo hiệu quả của thiết bị thu hồi và tốc độ tuần hoàn của hạt nhiên liệu Do có sự tuần hoàn nhiên liệu mà thời gian lưu lại của hạt nhiên liệu lớn hơn nhiều lần so với thời gian lưu lại của dòng khí

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn

1.4 Giới thiệu lò hơi tầng sôi tuần hoàn

1.4.1 Cấu tạo

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Các hệ thống chính của lò hơi tầng sôi tuần hoàn được mô tả như hình 1.5:

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu

- Hệ thống cung cấp gió:

+ Quạt sơ cấp có nhiệm vụ tạo tầng sôi, làm khí đốt chính

+ Quạt thứ cấp có nhiệm vụ kiểm soát lượng gió dư

 Thành phần hóa học của than:

Thành phần nguyên tố hóa học trong than gồm: Cacbon(C), hydro(H), lưu huỳnh(S), oxi(O), nitơ(N), tro hay còn gọi là khoáng chất (A) và nước hay gọi là độ ẩm (W)

-Cacbon: là thành phần cháy chủ yếu trong than, nhiệt lượng phát ra khi cháy 1kg cacbon

gọi là nhiệt trị của cacbon, vào khoảng 34150kJ/kg Vì vậy, lượng cacbon trong than càng cao thì nhiệt trị của than càng cao Tuổi hình thành của mỏ than càng già, thì thành phần cacbon trong than càng cao Song lúc ấy độ liên kết của than càng chắc nên than càng khó cháy

-Hydro: là thành phần cháy quan trọng của than, nhiệt trị của hydro khoảng 144.500

kJ/kg Nhưng lượng hydro trong than thường không cao

-Lưu huỳnh: là thành phần cháy trong than Lưu huỳnh tồn tại trong than dưới ba dạng:

liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk và liên kết sunfat SS Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất sẽ tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy, còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4 , MgSO4, FeSO4…,những liên kết này sẽ không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro xỉ của than

Nhiệt trị lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon, khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra

SO2 hoặc SO3, lúc gặp hơi nước SO3 sẽ hòa tan tạo thành H2SO4 có tác dụng ăn mòn kim loại, khi bay ra ngoài trời khí SO2 là khí độc hại gây ra mưa axit hoặc là chất phát thải gây ra hiệu ứng nhà kính

-Oxy và Nitơ: là những thành phần vô ích trong than Sự có mặt của chúng trong than

làm giảm tỷ lệ thành phần cháy của than và làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Khi cháy, Nitơ có trong nhiên liệu sẽ không tham gia quá trình cháy và chuyển thành dạng tự do

ở trong khói

Thông thường người ta dùng ký hiệu nguyên tố hóa học trong than để biểu thị số phần trăm của nguyên tố đó có trong 1 kg than, có nghĩa là:

C + H + S + N + O + W + A = 100%

Trong đó : W, A là độ tro và độ ẩm của than

1.4.3 Quá trình cháy của nhiên liệu

Trong buồng đốt lò hơi tầng sôi nhiệt độ được duy trì trong khoảng 8500C ÷ 9500C Khi nhiên liệu được đưa vào trong lớp, nó được gia nhiệt một cách nhanh chóng và bốc cháy Thường nhiên liệu được đốt với lượng không khí thừa khoảng 20% Thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng đốt tầng sôi dài hơn, và nhiên liệu được cháy một cách hiệu quả trong buồng đốt tầng sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp đốt nhiên liệu trên ghi và phun bột than

Khi hạt nhiên liệu cháy, kích thước của nó sẽ giảm dần xuống, đến giá trị mà ở đó lực

do dòng khí tại ra lớn hơn trọng lượng hạt thì hạt sẽ bị cuốn ra ngoài

Vì vậy thời gian lưu lại của hạt được xác định bởi kích thước ban đầu ban đầu của hạt nhiên liệu, và mức độ giảm kích thước hạt do cháy và do ma sát

a, Ưu điểm:

Trong những năm gần đây kỹ thuật tầng sôi được phát triển một cách mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng và xử lý rác thải Có được sự phát triển này là nhờ những ưu điểm nổi bật so với các loại lò khác:

 Có thể đốt nhiều loại nhiên liệu:

Đây là một trong những ưu điểm chính của lò tầng sôi, đặc biệt là trong tình hình thị trường nhiên liệu hiện nay Lò tầng sôi có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu, tổn thất nhiệt ít hơn các loại lò đốt khác Theo các nguyên cứu gần đây tại Việt Nam, sử dụng lò công nghiệp tầng sôi có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 80% Nên nó cho phép các nhà máy điện đa dạng hóa việc thu mua nhiều nguồn nhiên liệu khác nhau, xóa bỏ việc phụ thuộc vào một nguồn nhiên liệu nào đó Sự linh hoạt này là một lợi ích lớn đối với những quốc gia có nguồn than ngày càng giảm giá trị do đã sử dụng hết những nguồn than chất lượng

Chính đặc điểm này của lò tầng sôi mà nó có thể đốt bất kỳ loại nhiên liệu nào mà không cần có một nguồn nhiệt bổ sung và cung cấp nhiệt trị cao để làm nóng không khí và gia nhiệt cho nhiên liệu đến nhiệt độ bốc cháy Tuy nhiên, trong thực tế, do các yếu tố khác nhau như nhiệt dung của các thiết bị phụ, sự hấp thụ nhiệt, nhiệt độ làm việc của kim loại…làm hạn chế mặt linh hoạt khi sử dụng các hạt nhiên liệu

 Hiệu suất xử lý khí thải SO 2 :

Không giống như các loại lò đốt nhiên liệu khác, quá trình cháy và thải nhiên liệu trong

lò tầng sôi diễn ra liên tục Đặc điểm này cùng với khả năng hòa trộn tốt các hạt vật chất trong lớp sôi giúp buồng đốt duy trì một nhiệt độ ổn định đồng nhất trong toàn bộ Kết quả là nhiệt độ ổn định (800÷900)0C Khoảng nhiệt độ này thích hợp cho phản ứng hóa học hấp thụ khí SO2 bởi đá vôi (CaCO3)

CaCO3 = CaO + CO2

SO2 + CaO + ½ O2 = CaSO4

Sản phẩm sinh ra là CaSO4 Nó được thải ra môi trường đất hoặc được sử dụng dưới dạng thạch cao Đá vôi dùng trong đốt tầng sôi có thể giữ lại hơn 90% SO2 và thải ra ngoài dưới dạng chất thải rắn Những chất này dễ xử lý hơn và ít ô nhiễm hơn so với xỉ

từ các lò hơi khác

Khả năng giảm và xử lý khí SO2 trong lò tầng sôi là kết quả của trường nhiệt độ thấp và

ổn định khi đốt nhiên liệu trong lò tầng sôi Do đó, lò tầng sôi không cần trang bị thêm

bộ xử lý khí thải để kiểm soát lượng khí SO2 thải ra ngoài

 Lượng NO x thải thấp:

Lượng NOx bình quân sinh ra trong lò hơi đốt tầng sôi thấp, khoảng (100 ÷ 300) ppm (so với thể tích khô) Đó là do nhiệt độ cháy thấp, điều kiện áp suất thấp ngăn cản sự bay hơi, và lượng gió cung cấp theo từng giai đoạn của quá trình cháy Hầu hết các loại

lò tầng sôi đều sinh ra lượng NOx thấp mà không gây ra tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn hoặc do phải bổ sung thêm ở những vùng có quy định chặt chẽ giới hạn lượng

NOx cho phép thải ra ngoài không khí, người ta có thể đặt thêm bộ thu khí NOx bằng dung dịch amoniac ở phần đuôi lò trong Xyclon (theo Chenlian &Hyvrinen, 1995) Lượng khí thải sinh ra ít là một lợi thế rất có giá trị của lò tầng sôi Trong lò đốt nhiên liệu kiểu phần lớn lượng khí NOx sinh ra trong quá trình oxi hóa Nitơ có trong không khí cấp vào lò Phản ứng này diễn ra trong quá trình cháy nhiệt độ đạt trên 14800C Với nhiệt độ buồng đốt chỉ khoảng 850÷9500C, trong lò tầng sôi khí NOx sinh ra là không đáng kể Tuy nhiên, lượng khí Nitơ trong nhiên liệu có thể bị oxi hóa tạo nên khí NOx, sau đó bị khử lại thành Nitơ do lượng không khí cấp theo nhiều giai đoạn như trong lò tầng sôi tuần hoàn

giây lát, buồng đốt khi làm việc trở lại phải qua một chu trình khởi động lại lò rất phức tạp Khi ngừng cung cấp nhiên liệu trong một thời gian ngắn có thể khiến cả hệ thống ngừng làm việc và tác động nhiều đến hệ Tuốcbin- máy phát điện phía sau Trong lò tầng sôi thì không có ngọn lửa, mà thay vào đó là một lượng lớn các hạt trơ nóng Nên

cả khi nhiên liệu ngừng cung cấp vào, nhiệt độ của buồng đốt không giảm và nhiệt độ hơi cũng không thay đổi Nếu nhiên liệu được cấp lại trong vài phút sau đó thì không cần ngừng lò

- Thời gian khởi động lò ngắn:

Một số lò công nghiệp làm việc hai ca cần phải đốt lò trong khoảng 8 tiếng Lò tầng sôi

có thời gian khởi động lò ngắn hơn và đơn giản hơn Buồng đốt tầng sôi trong tình trạng nghỉ làm việc thì tổn thất nhiệt ít Ngay cả khi sau vài giờ đồng hồ tạm nghỉ, lớp hạt rắn vẫn còn đủ nhiệt lượng cho lần đốt lò sau Cho nên khi cho nhiên liệu vào lò, nó bốc cháy ngay và lò đi vào hoạt động lại sau một thời gian ngắn

- Giảm hiện tượng ăn mòn:

Tro sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu ở lò tầng sôi ở dạng xốp, không bị chảy loãng

do nhiệt độ của lò thấp (800÷9000C) Điều này làm hạn chế hiện tượng ăn mòn kim loại ống ở bề mặt đối lưu (đuôi lò), hay ăn mòn cánh của quạt gió ở đuôi lò

- Sự chuẩn bị nhiên liệu đơn giản:

Than cho lò tầng sôi thường chiếm 70% hạt than và có kích thước dưới 6000m ( 6 mm ), trong khi đó đối với lò hơi đốt than phải có 70% hạt than kích cỡ dưới 75m Do đó

lò đốt than phun cần phải có hệ thống máy nghiền than và phun bụi than Thiết bị phun bụi than không những đắt tiền mà còn phức tạp và cần bảo trì kiểm tra thường xuyên

Đa số các nguyên nhân khiến lò ngừng làm việc là do hoạt động của hệ thống nghiền than không tốt Ngược lại với lò tầng sôi thì không cần một hệ thống nghiền than như vậy, do đó giai đoạn chuẩn bị nhiên liệu đơn giản và không phức tạp như đối với lò hơi vòi phun đốt than

b, Nhược điểm:

Ngoài những ưu điểm trên thì lò tầng sôi còn có những nhược điểm sau:

 Cần quạt có công suất lớn:

Do không khí cấp vào lò phải thắng được trở lực của bộ phân phối gió và trở lực của khối lượng của lớp vật liệu rắn trong buồng đốt Đầu tư cho điện năng tiêu thụ tăng, song bù lại không cần trang bị thiết bị phun nhiên liệu

 Tổn thất nhiệt ra môi trường nhiều hơn:

Xyclon, hệ thống hồi, bộ trao đổi nhiệt ngoài làm tăng thêm nhiều thiết bị cho lò CFB Một vài bề mặt các thiết bị không được làm mát Do đó tổn thất nhiệt do đối lưu và bức

xạ từ các bề mặt của lò tầng sôi tuần hoàn nhiều hơn so với lò tầng sôi bong bóng và lò ghi

 Hiệu suất cháy thấp:

Hiệu suất cháy của một lò ghi thường cao hơn so với lò hơi tầng sôi tuần hoàn, do nhiệt

độ cháy cao hơn, kích cỡ hạt mịn hơn và tồn tại lâu hơn trong buồng lửa Tuy nhiên, lò ghi sử dụng không khí liên tục và hệ số không khí thừa thấp để khống chế lượng NOXkhiến nhiên liệu cháy không hoàn toàn trong buồng lửa Hiệu suất cháy trong buồng lửa

lò tầng sôi tuần hoàn lớn hơn lò tầng sôi bong bóng, do vùng cháy trong buồng lửa lò tầng sôi tuần hoàn kéo dài hơn 15÷25m chiều cao của buồng đốt và một khối lượng phân

tử Cacbon chưa cháy hết được quay trở lại cháy tiếp tục trong lò Trong lò tầng sôi bong bóng, lớp vật chất trong vùng cháy chỉ cao 1÷1,5m và lượng Cacbon chưa cháy hết bay

ra khỏi lò gây tổn thất nhiệt

 Ngoài ra nó còn có một số nhược điểm nữa là :

- Thời gian lưu lại của các hạt trong lớp sôi không đều

- Mật độ các hạt trong lớp sôi không đều

- Các hạt rắn dễ bị va đập, bào mòn vỡ vụn tạo nhiều bụi do đó phải có thiết bị thu hồi bụi

1.5 Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

1.5.1 Các phương pháp điều khiển phổ biến

Trong vận hành lò hơi tầng sôi tuần hoàn, các phương pháp điều khiển chính bao gồm như sau (tham khảo tài liệu [13]):

- Điều khiển áp suất dòng hơi

Thay đổi tải yêu cầu từ tua bin hơi hoặc từ quá trình hơi được xử lý bởi lượng nhiêu liệu cấp vào buồng đốt Thông thường, có 2 phương pháp chính để điều chỉnh áp suất dòng hơi là chế độ điều chỉnh theo lò và theo tua bin Ở phương pháp điều chỉnh theo lò, hệ thống điều chỉnh lò và tua bin được thiết kế riêng biệt Từ trạng thái tải ổn định, bất kỳ yêu cầu nào của hệ thống yêu cầu nhiều hơn năng lượng điện chỉ áp dụng lên hệ thống tua bin Ở chế độ điều chỉnh theo tua bin, yêu cầu gia tăng công suất thường bằng cách tăng hiệu năng đốt Với năng lượng cộng hưởng của dòng hơi từ việc tăng hiệu năng đốt, áp lực dòng hơi sẽ tăng lên Từ đó điều chinh giảm áp lực tua bin để mở van tua bin Ở hình 1.6, ví

dụ về bộ điều khiển PID điều chỉnh dòng hơi Tỷ lệ giữa các loại nhiên liệu có

thể điều chỉnh Mỗi bộ điều khiển cấp nhiên liệu nhận tín hiệu từ bộ điều khiển

áp suất dòng hơi dựa trên tỷ lệ cài đặt và các quy tắc hệ thống tại thời điểm đó

Hình 1.6: Sơ đồ điều khiển áp suất dòng hơi

Khi lượng nhiên liệu được thay đổi, các thay đổi tương ứng được áp dụng để điều khiển lượng khí Trong quá trình các tải thay đổi, trạng thái buồng đốt và sự lan tỏa của các dòng khí phải được giám sát, nếu có nhiễu tác động, các biện pháp điều khiển cần được tác động

- Điều khiển lượng khí oxi cấp vào buồng đốt

- Điều khiển lượng không khí thổi vào buồng đốt

Điều khiển lượng không khí vào buồng đốt rất quan trọng với quá trình đốt cháy Trạng thái ổn định cho phép giảm tỷ lệ khí thừa, từ đó giảm lượng khí ni tơ phát sinh và tăng hiệu năng quá trình nhiệt của lò Tuy nhiên, điều khiển lượng không khí cần quan tâm đến các rủi ro về lượng cacbon oxide và hydro carbon Khí vào buồng đốt bao gồm cả không khí và nhiên liệu cho từng trạng thái, bao gồm không khí từ quạt gió chính, quạt gió phụ, tỷ lệ không khí và nhiên liệu cũng như lượng oxi

Hình 1.7: Sơ đồ điều khiển lượng khí cấp vào buồng đốt

Tổng lượng khí trong buồng đốt yêu cầu tính toán lượng nhiên liệu (than đá, các hạt dư thu thập về từ xyclone), đôi khi yêu cầu sự tính toán kỹ lưỡng Tổng lượng không khí bao gồm từ quạt gió chính và các quạt gió phụ, được cung cấp một cách có tính toán tùy theo lượng tải của lò

Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển lượng gió từ quạt chính

- Điều khiển nhiệt độ dòng hơi

Phương pháp được thực hiện thông qua việc phun nước Phương pháp điều khiển dựa vào số lượng điện trở, nhiệt độ mỗi dòng hơi là bộ điều khiển ở mỗi khâu

qua các điện trở Dòng hơi và dòng nhiên liệu có thể sử dụng nối tiếp nhau để bù nhiễu từ việc thay đổi tải

Hình 1.9: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ dòng hơi

- Điều khiển áp suất buồng đốt

Áp suất buồng đốt được điều khiển thông qua việc loại bỏ số vật liệu dư thừa Trong trường hợp nhiêu liệu không phù hợp với vật liệu buồng đốt, lượng cát sẽ được đưa vào lò

Hình 1.10: Sơ đồ điều khiển áp suất buồng đốt

- Điều khiển lượng khí S𝑂2

Nhiều nghiên cứu và thí nghiệm đã được tiến hành nhằm cải tiến quá trình điều khiển Theo nghiên cứu của Kurjatko và Placer trong ấn phẩm năm 1991, nhà nghiên cứu đã giới thiệu về mô hình bộ điều khiển Smith (thực hiện trên lò hơi tầng sôi tuần hoàn sử

dụng nhiên liệu đốt hóa thạch công suất 20MW sản xuất bởi công ty Combustion Power) Bộ dự đoán Smith là mô hình động lực bậc nhất với thời gian chết để dự đoán giá trị hiện tại của hệ thống dựa trên giá trị trước đó của đầu ra bộ điều khiển Những sai lệch giữa dự đoán và giá trị thực của hệ thống là số liệu xác định nhiễu và thay đổi

từ bộ điều khiển sẽ được yêu cầu Bộ điều khiển ở hình 1.10 thể hiện cấu trúc bộ điều khiển nối tiếp tổ hợp của bộ lọc và bộ điều khiển nối tiếp lý tưởng

𝜏𝐹: ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑐ủ𝑎 𝑏ộ đ𝑖ề𝑢 𝑘ℎ𝑖ể𝑛

𝜏𝑀: hằng số thời gian của bộ điều khiển

𝐾𝑀: chỉ số trạng thái ổn định hệ thống

Hình 1.11: Mô hình bộ điều khiển Smith

1.5.2 Mô hình hóa hệ thống và đề xuất phương án điều khiển

Phương trình cho hệ thống động của việc kiểm soát nhiệt độ được chọn theo nghiên cứu của Verma etal, 2012 như sau:

𝑑𝑇

𝑑𝑡 =𝐹𝑉(𝑇𝑖 − 𝑇) +𝜌𝑉𝐶𝑄

𝑝 (1) Trong đó:

T: nhiệt độ của buồng đốt

t: biểu thị thời gian

y(t): biểu thị nhiệt độ đầu ra

F(t): biểu thị dòng nhiệt chảy vào bên trong hệ thống

𝑦0: biểu thị nhiệt độ ban đầu

C: biểu thị công suất nhiệt

R: biểu thị điện trở giữa hệ thống vùng biên với môi trường xung quanh

Giả sử rằng R và C không thay đổi Ta viết lại hệ thống sang miền rời rạc với xấp xỉ theo (Tavoosii et al, 2011) như sau:

y(k+1)=exp(-αT)y(k)+

𝛽

𝛼 (1−exp(−𝛼𝑇)) 1+exp(0.5𝑦(𝑘)−40)𝑢(𝑘)+(1-exp(-αT))𝑦0 (3) Tham số α=1.00151x10−3 và β=8.67973x10−4, 𝑦0= 25𝑜C được thu thập từ nghiên cứu Verma et al., 2012

Qua phép biến đổi Laplace phương trình (2) ta thu được:

sY(s)=𝐹(𝑠)

𝐶 +𝑦0 (𝑠)

𝑅𝐶 −𝑌(𝑠)

𝑅𝐶 (4) Đặt a=𝑅𝐶1 , b=1

Hệ số a và b là giá trị không đổi tùy thuộc vào nhiệt trở R và nhiệt dung C Các thông

số còn lại có thể được thể hiện bằng một hằng số giá trị α, β phụ thuộc vào R và C thể hiện như sau:

a=𝑒−𝛼𝑇, 𝑏 =𝛽𝛼(1 − 𝑒−𝛼𝑇)

Khi lò hơi tầng sôi tuần hoàn đang vận hành ở trạng thái xác lập, với các thông số khác

là không đổi, theo tài liệu [10], mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng nhiên liệu cung cấp của lò hơi tầng sôi tuần hoàn được thể hiện theo hàm truyền sau:

G(s) =𝑦(𝑠)

𝑢(𝑠)= 5.84(1+𝑇𝑎 6𝑠)

(𝑇1𝑠+1)(𝑇2𝑠+1)𝑒−𝛼𝑠 = (147𝑠 + 1)(148𝑠 + 1)5.84(1+11.6𝑠) 𝑒−80𝑠Đây là khâu quán tính bậc 2 có trễ với một điểm không thực âm, với:

+ 𝑇1: hằng số quán tính thứ nhất

+ 𝑇2: hằng số quán tính thứ hai

Sau khi rời rạc hóa hàm truyền lò hơi, với thời gian lấy mẫu ts = 0.01s, mối quan hệ giữa nhiệt độ buồng đốt lò hơi (y) và tín hiệu điều khiển (u) được thể hiện như sau:

y(k) = -1.7464y(k-1) + 0.7625y(k-2) + 0.1034u(k-5) + 0.0094u(k-6)

1.5.3 Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Yêu cầu cơ bản trong điều khiển hệ thống lò hơi là duy trì áp suất dòng hơi tuần hoàn với chi phí nhiên liệu thấp nhất Dưới tác động của sự thay đổi thành phần hỗn hợp nhiên liệu cũng như quá trình cung cấp nhiên liệu vào lò, dao động tổn hao nhiên liệu và nhiệt tạo nên nhiễu chính đến hệ thống tuần hoàn trong lò và năng lượng buồng đốt

Đối với các lò hơi công nghiệp, một khó khăn khác với hệ thống điều khiển là lượng tải thay đổi do các cơ cấp sử dụng dòng hơi từ lò Điều này đòi hỏi sự kiểm soát tốt về áp suất dòng hơi, đặc biệt khi áp suất dòng hơi này không được điều khiển bằng tua bin hay bộ điều áp nhưng lò chịu yêu cầu về điều khiển tổng lượng áp suất dòng hơi Áp suất dòng hơi phải được giữ ở giá trị đặt đồng thời cần đảm bảo khả năng tránh để áp suất dòng hơi sụt giảm hoặc tăng quá cao

Nếu hỗn hợp nhiên liệu bao gồm quá nhiều thành phần như các loại nhiên liệu sinh học, vấn đề cung cấp nhiên liệu trở thành vấn đề lớn nhất đến hiệu năng của lò và năng suất dòng hơi Ưu tiên cao nhất của người vận hành không chỉ là áp suất liên tục hay giảm giá thành năng lượng, mà còn là khả năng cung cấp đủ dòng hơi

Mặc dù lò hơi có thể sử dụng nhiên liệu là rác thải và nhiều loại nhiên liệu thân thiện môi trường khác so với các công nghệ đốt khác, thì vẫn luôn có yêu cầu về việc giảm thiểu xả ra môi trường khí NOx Việc này có thể đạt được bằng cách giảm lượng không khí thừa mà vẫn duy trì ổn định hiệu năng

Các loại nhiễu ảnh hưởng đến hiệu năng lò:

Nhiễu biến động về lượng nhiên liệu dự trữ, 𝑊𝑐[𝑘𝑔]:

bị cũng như đã có thời gian làm việc kinh nghiệm thực tế

Đề tài định hướng điều khiển cơ cấu chấp hành đóng mở van nhằm điều chỉnh cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt

hệ thống Trí tuệ nhân tạo được xây dựng dựa trên mạng nơron nhân tạo Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng nơron trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động là một khuynh hướng hoàn toàn mới, phương hướng thiết kế hệ điều khiển thông minh, một hệ thống

mà bộ điều khiển có khả năng tư duy như bộ não con người, tức là nó có khả năng tự học, tự chỉnh định lại cho phù hợp với sự thay đổi không lường được trước của đối tượng

Nhờ đã hệ mờ và mạng nơron đều có khả năng làm việc trong những hệ thống không ổn định, không chính xác và điều kiện môi trường khắc nghiệt Hệ thống mờ và mạng nơron đó có nhiều ví dụ thực hiện đánh giá và so sánh chúng

Ngày nay các nhà thiết kế đó áp dụng một cách rộng rãi và có hệ thống logic mờ

và mạng nơron trong lĩnh vực điều khiển học Ý tưởng là triệt tiêu các nhược điểm và đạt được các ưu điểm của cả hai công nghệ, điều này có nghĩa là hai công nghệ kết hợp

để tối đa hóa điểm mạnh của từng công nghệ và bổ sung những nhược điểm để hợp thành một hệ thống mới tối ưu hơn

Hệ thống hợp nhất này sẽ có ưu điểm của cả hai: Mạng nơron (khả năng học, khả năng tối ưu hoá, sự kết nối về cấu trúc) và hệ mờ (sự thông minh của con người qua luật mờ if - then, sự thuận lợi của việc am hiểu kiến thức chuyên môn một cách chặt chẽ của các chuyên gia)

2.2 Tổng quan về điều khiển mờ

hệ thống phức tạp Đặc biệt là những lĩnh vực cần sử dụng trí tuệ nhân tạo hay trong công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn có độ phức tạp cao cần sự giúp đỡ của hệ các chuyên gia

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhất là kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã đặt nền móng cho việc ứng dụng hệ thống điều khiển thông minh vào các nghành công nghiệp Các hệ thống điều khiển thông minh được xây dựng

trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đó giúp con người có khả năng khống chế những đối tượng

mà trước kia tưởng chừng như không điều khiển được như trong rất nhiều bài toán điều khiển khi đối tượng không thể mô tả bởi mô hình toán học, hoặc mô hình của nó quá phức tạp, cồng kềnh…

Trong thực tế khi thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái hoặc cấu trúc của đối tượng…

Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đại học Berkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Sets Theory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọng dựa trên

cơ sở lý thuyết tập mờ Đây là một trong những phát minh quan trọng có tính bùng nổ

và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn của thực tế

Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đó dựng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đó dựng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electrinic vào năm

1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đường sắt Sendai Các ứng dụng đó và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điều chỉnh, nội suy, phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạng trong các máy quay video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghiệm con lắc ngược đó được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng được sinh ra gần 100 lần ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống”

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi,

nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, phức tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phương pháp

có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển Vỡ đối tượng điều khiển là một

hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các mô hình toán lý Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (các luật) với các dữ liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đó ra đời Ta lấy một ví dụ phân biệt cá voi có tính khoa học Ở những trường tiểu học, nhiều điều làm mọi người ngạc nhiên rằng cá voi là động vật có vú bởi vì: nó là loại máu nóng, đẻ con, nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông Hệ thống phân biệt này là một ví dụ hoàn hảo của logic hai trị truyền thống mà thống trị khoa học suốt nhiều thế kỷ Mặc dù thực tế là nó trông giống cá, nó bơi giống cá, nó có mùi cá, và cứ ba học sinh lại có một người nghi ngờ khi nói rằng cá voi không phải là cá, cá voi 100% động vật có vú, 0 % là cá Nếu một

nhà logic mờ phân biệt cá voi, ông ta sẽ cho cá voi thuộc về cả hai bộ động vật có vú

và bộ cá, tới mức độ tự nhiên

So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau:

Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển

là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điều kiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin

Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điều khiển cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn

Với nguyên tắc mờ bộ điều khiển tổng hợp được có cấu trúc đơn giản so với bộ điều khiển kinh điển khác có cùng chức năng Sự đơn giản đó đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ tin cậy cho thiết bị, giảm giá thành sản phẩm

Điều khiển mờ là những cải tiến liên tiếp của kỹ thuật vi xử lý, một cầu nối không thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế

2.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ

a) Sơ đồ khối: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên

hình 1.1 Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có giao diện vào và giao diện ra để đưa tín hiệu vào bộ điều khiển và xuất tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành

Hình 2 1: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

b) Giao diện vào, ra: Hệ mờ là một hệ điều khiển số do đó tín hiệu đưa vào bộ

điều khiển mờ phải là tín hiệu số Giao diện vào có nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu tương

tự thu nhận được từ đối tượng điều khiển và chuyển đổi thành tín hiệu số Giao diện ra

có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tương tự, khuếch đại tín hiệu điều khiển cho phù hợp với đối tượng cụ thể Trong thực tế, giao diện vào, ra được tích hợp trong một CARD xử lý số chuyên dụng hoặc lắp thêm vào khe cắm mở rộng của máy tính

c) Khối mờ hóa: Là khối đầu tiên của bộ điều khiển mờ có chức năng chuyển mỗi

giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véctơ  có số chiều bằng số tập mờ đầu vào Số tập mờ đầu vào do người thiết kế qui định tùy thuộc đối tượng cụ thể, nhưng thông thường không chọn quá 9 tập mờ Hình dạng các hàm liên thuộc cũng được tùy chọn theo hình tam giác, hình thang, hàm Gauss … Mỗi loại hàm liên thuộc có ưu, nhược điểm riêng Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ rõ dùng dạng hàm liên thuộc nào là tốt nhất Hình 2.2 minh họa phương pháp mờ hóa biến điện áp trong khoảng

từ 100V - 300V bằng 5 tập mờ dạng hàm Gauss Khi đó ứng với mỗi giá trị rõ x ta có

Mờ

hợp thành

Giao diện vào

Giao diện ra

vectơ

0 0 0 0 0

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

RT T TB Cao RC

x x

x x

0, 7

0, 4 0

Khối thiết bị hợp thành cũng được gọi là cơ cấu suy diễn hay động cơ suy diễn

có chức năng biến mỗi giá trị từ (x0) ở đầu vào thành tập mờ B' (x0 ) trên cơ sở các

luật điều khiển, khối này gồm 2 phần chính: Luật điều khiển (hợp thành) và suy diễn

mờ

Luật điều khiển bao gồm một số mệnh đề hợp thành là các mệnh đề đơn hoặc

mệnh đề phức được liên hệ với nhau bởi toán tử "Hoặc" có dạng tổng quát:

R1: Nếu X1 = A1 và X2 = B1 và … thì Y1 = C1 và Y2 = D1… hoặc

R2: Nếu X1 = A2 và X2 = B2 và ….thì Y1 = C2 và Y2 = D2 hoặc

………

R2: Nếu X1 = An và X2 = Bn và ….thì Y1 = Cn và Y2 = Dn (2.1) Tùy theo số mệnh đề điều kiện và số mệnh đề kết luận trong mỗi mệnh đề hợp thành mà người ta có các cấu trúc điều khiển khác nhau:

- Cấu trúc SISO (một vào, một ra): Chỉ có một mệnh đề điều kiện và một mệnh

Ví dụ: R1:nếu 1  A1 và2 B1 thì  C1 hoặc

R2: nếu 1  A2 và2 B2 thì  C2

* Suy diễn mờ

Là nguyên tắc xây dựng ma trận hợp thành chung (R) từ các mệnh đề hợp thành

Rk Trong điều khiển mờ người ta đưa ra 4 nguyên tắc xây dựng ma trận hợp thành là: Max-min, Max-prod, Sum-min, Sum-prod Theo thói quen ta thường gọi là các luật hợp thành Max-min; luật hợp thành Max-prod; luật hợp thành Sum-min và luật hợp thành Sum-prod

- Luật hợp thành Max – min: Nếu

Luật hợp thành MIN là tên gọi mô hình (ma trận) R của mệnh đề hợp thành

ABkhi hàm liên thuộc AB( , )x y của nó được xây dựng theo quy tắc MIN

Xét luật hợp thành có cấu trúc SISO:

Bước 4: Xác định B'( )y theo công thức B'( )y  ( , , ,l l1 2 l m)

Ví dụ: A( )x , B( )y , C( )z được rời rạc hóa tại các điểm:

Hình 2 3: Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min

Luật hợp thành MAX – PROD: Nếu

Bước 4: Xác định B'( )y theo công thức B'( )y  ( , , ,l l1 2 l m)

Để xây dựng R, trước tiên hai hàm liên thuộc A( )x và B( )y được rời rạc hóa với tần số rời rạc đủ nhỏ để không bị mất thông tin

Ví dụ: A( )x , B( )y , C( )z được rời rạc hóa tại các điểm:

Hình 2 4: Hàm liên thuộc vào- ra theo luật hợp thành max-pro

- Luật hợp thành SUM – MIN: Nếu

Gọi hàm liên thuộc của A k và B k là Ak( )x và Bk( )y với k = 1, 2,…,p

Thuật toán triển khai: RR1R2  R p được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Rời rạc hóa X tại n điểm ( ,x x x1 2, 3, ,x n) và Y tại m thời điểm

p k k

z{ 1.699, 12.5, 1.699, 13.5}

Ta tiến hành xây dựng luật hợp thành SUM-MIN:

Hình 2 5: Hàm liên thuộc vào ra theo luật hợp thành sum-min

- Luật hợp thành SUM – PROD: Nếu

Gọi hàm liên thuộc của A k và B k là Ak( )x và Bk( )y với k = 1, 2,…,p

Thuật toán triển khai: RR1R2  R p được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Rời rạc hóa X tại n điểm ( ,x x x1 2, 3, ,x n) và Y tại m thời điểm

Bước 4: Xác định luật hợp thành

1min 1,

p k k

Ta tiến hành xây dựng luật hợp thành SUM-PROD:

Hình 2 6: Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod

e Khối giải mờ (rõ hoá)

Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y0 nào đó có thể chấp nhận được từ hàm liên thuộc

Để giải mờ theo phương pháp cực đại, ta cần thực hiện theo hai bước:

Bước 1: Xác định miền chứa giá trị rõ y0 (miền G): Đó là miền mà tại đó hàm

liên thuộc B1'( )y đạt giá trị cực đại (độ cao H của tập mờ B’), tức là miền:

 B'( ) 

Bước 2: Xác định y0 có thể chấp nhận được từ G theo ba nguyên tắc: Nguyên tắc

trung bình, nguyên tắc cận trái và nguyên tắc cận phải

Nguyên tắc trung bình : Giá trị rõ y0 sẽ là trung bình cộng của y1 và

0 2