THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN UÔNG BÍ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC

BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHO QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC BAO HƠI
CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NG BÍ
Học phần: Điều khiển q trình

Họ và tên

: Lê Anh Quân

MSV

: 191604301

Lớp

: TĐH 2 – K60

GVHD

: PGS.TS Trịnh Lương Miên

TP.Hà Nội – 2022


MỤC LỤC:
I.

Nhiệm vụ thiết kế.............................................................................3

II.

Xây dựng lưu đồ P&ID....................................................................3

III.

Xây

dựng

sơ

đồ

khối

cấu

trúc

điều

khiển

hệ

thống.......................4

IV.

Xây dựng hàm truyền đạt của thiết bị đo, thiết bị chấp
hành.....5

1. Hàm truyền của thiết bị đo mức nước trong bao hơi...................5
2. Hàm truyền của thiết bị đo lưu lượng hơi quá nhiệt/ lưu lượng
nước..................................................................................................6
3. Hàm truyền của van nước cấp vào lò hơi......................................7
4. Hàm truyền của bộ chuyển đổi dòng điện – khí nén (I/P)...........8
5. Hàm truyền của q trình mức nước bao hơi..............................8
V.

Thiết kế bộ điều khiển PID cho q trình mức nước bao hơi.....9
1. Giai

đoạn

khởi

động

lị...................................................................10
2. Giai đoạn vận hành lâu dài...........................................................11
2.1.

Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng van cấp
nước.12

2.2.

Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao
hơi.........13

2


I.

Nhiệm vụ thiết kế

Mục tiêu đặt ra ở đây là thiết kế hệ thống điều khiển cho quá trình ổn
định mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện Uông Bí ở cả giai đoạn khởi
động lị và giai đoạn hoạt động lâu dài. Lị hơi có cấu tạo và thơng số kỹ thuật
như đã cho ở trên.
Trong q trình vận hành lị, mức nước bao hơi cần duy trì xung quanh
mức đặt 700mm tính từ đáy bao hơi lên. Mức nước trong bao hơi phụ thuộc
vào nhiều yếu tố, như áp suất trong bao hơi, lưu lượng nước vào lị, lưu lượng
hơi sang tua bin ... Vì vậy u cầu của bộ điều chỉnh cấp nước khi làm việc
trong dải điều chỉnh của phụ tải lị cần duy trì mức nước ở giới hạn sau:
- Ở chế độ vận hành bình thường ổn định (có nghĩa là khơng có sự thay
đổi đột ngột của phụ tải, của nhiệt độ lị) lúc đó sai lệch mức nước lớn nhất
cho phép không được quá ±20mm so với mức nước “0”.
- Khi có sự thay đổi bước nhảy đột ngột của phụ tải từ 10 ÷50% so với
định mức thì sai lệch cho phép không được lớn hơn ±50mm.
- Khi ở chế độ làm việc ổn định thì số lần tác động của bộ điều chỉnh
trong một phút không qúa 6 lần. Như vậy ta cho bộ điều chỉnh đảm bảo tác
động khi có độ sai lệch mức trong bao hơi là ±20 mm.
II.

Xây dựng lưu đồ P&ID

Phân tích cơng nghệ và yêu cầu điều khiển, ta có thể đưa ra lưu đồ
P&ID cho việc điều khiển ổn định mức nước bao hơi của lị EN-920-17.6534 tại nhà máy nhiệt điện ng Bí như hình dưới. Việc điều khiển mức
nước bao hơi được thực hiện theo một chu trình tương ứng với khối công
nghệ 111 hoặc 112 tùy thuộc vào mức nước và sự hao hụt hơi nước quá nhiệt
đầu ra cũng như nước cấp vào lò.
Mức nước trong bao hơi được đo lường, chỉ thị tại hiện trường và
truyền đi xa bằng cảm biến đo mức, kí hiệu trong lưu đồ công nghệ P&ID là
LIT/111. Kết hợp với giá trị áp suất trong bao hơi (đã có trong dữ liệu hệ
thống) thực hiện chỉ thị áp suất, kí hiệu trong lưu đồ P&ID là PI/111, sau đó
thơng qua khâu biến đổi PY/111, để kết hợp mức nước và áp suất nhằm tính
ra mức nước thực tế trong bao hơi, rồi đưa đến bộ điều khiển mức nước LIC/
111 đặt tại phòng điều khiển. Bộ điều khiển mức nước này có hai dạng chính,
tương ứng với hai giai đoạn vận hành của lò: giai đoạn khởi động lò và giai
đoạn hoạt động lâu dài.
3


Ở giai đoạn khởi động lò: bộ điều khiển mức nước LIC/111 dựa vào
mức nước đặt và mức thực tế để tính tốn và đưa tín hiệu điều khiển đến bộ
chuyển đổi điện-khí PY/111 tạo ra dịng khí nén tương ứng làm dịch chuyển
thiết bị định vị van P (positioner) để mở van PLV/111, cấp nước vào bao hơi.

Hình 1: Lưu đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi lò EN-920-17.6-534
ng Bí
Trong giai đoạn hoạt động lâu dài: bộ điều khiển mức nước LIC/111A
dựa vào sai lệch mức đặt và mức thực tế để tính tốn ra tín hiệu tham chiếu
cho vòng điều khiển lưu lượng nước cấp vào bao hơi. Tín hiệu ra của bộ điều
khiển mức nước LIC/111A được kết hợp với tín hiệu lưu tốc hơi quá nhiệt FI/

113 bằng bộ biến đổi FY/112 để tạo tín hiệu đặt lưu tốc cho van cấp nước.
Tín hiệu đầu ra của FY/112 sẽ được đưa tới bộ điều khiển van theo lưu lượng
FC/112. Bộ điều khiển van FC/112 cũng tiếp nhận tín hiệu đầu vào khác là
lưu lượng thực tế của nước cấp vào bao hơi FIT/112, để từ đó theo thuật tốn
cài đặt sẵn, tính tốn ra tín hiệu điều khiển mở van tương ứng, rồi đưa đến bộ
chuyển đổi điện-khí PY/112, sau đó qua thiết bị định vị van P (positioner) để
mở van PFV/112, cho dòng nước cấp vào bao hơi nhằm duy trì ổn định mức
nước trong bao hơi quanh giá trị đặt.
III.

Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ thống

Dựa vào lưu đồ P&ID ta có thể đưa ra sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống
điều khiển mức nước bao hơi như dưới đây.
(i). Giai đoạn bắt đầu khởi động lò (start up) tương ứng với vòng điều
khiển (111) sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là

4


Hình 2: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi giai đoạn
khởi động lò
(ii). Giai đoạn hoạt động lâu dài (¿ ΔLL∨¿<ξ) tương ứng với vòng điềuξ) tương ứng với vòng điều) tương ứng với vòng điều
khiển (112) sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là

Hình 3: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi giai đoạn
lò hoạt động lâu dài
Trong sơ đồ trên, bộ điều chỉnh L thuộc vịng ngồi là bộ điều chỉnh
mức nước nhằm thay đổi giá trị đặt cho bộ điều chỉnh F thuộc vòng trong.
Với vai trò giữ ổn định mức nước trong bao hơi, bộ điều chỉnh F thuộc vòng

trong là bộ điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào lị, tín hiệu ra của bộ điều
khiển này đưa đến van để van điều chỉnh góc mở cấp nước vào lò. Tác dụng
của bộ điều chỉnh F thuộc vịng trong là nâng cao độ chính xác, giảm sự ảnh
hưởng của các tác động nhiễu xuất hiện do sự thay đổi áp suất bao hơi, hiện
tượng sôi bồng mức nước.
Bộ điều chỉnh L vịng ngồi là bộ điều chỉnh chính, khống chế đại
lượng điều chỉnh ở đầu ra. Khi có một lý do nào đó làm cho tín hiệu đầu ra
mức nước thay đổi, tín hiệu mức nước đo được so sánh với tín hiệu mức đặt,
dẫn đến đầu vào của bộ điều chỉnh L vịng ngồi xuất hiện sai lệch và cho ra
tín hiệu điều khiển, xong tín hiệu điều khiển đầu ra lại không tác động lên cơ
cấu điều chỉnh mà kết hợp với các tín hiệu đo lưu lượng hơi và tín hiệu đo
lưu lượng nước cấp làm thay đổi giá trị đặt của bộ điều chỉnh F vịng trong.
Bộ điều chỉnh F vịng trong có nhiệm vụ triệt tiêu nhiễu xuất hiện ở vòng
trong trước khi nó tác động đến tín hiệu đầu ra. Qn tính ở vịng ngồi
thường lớn hơn rất nhiều so với vịng trong, nên thơng thường q trình q
độ ở vịng trong tắt rất nhanh. Nói chung sơ đồ điều chỉnh hai vòng cho chất
lượng điều chỉnh cao hơn so với hệ một vịng có cùng một đối tượng điều
chỉnh. Tín hiệu lưu lượng hơi đưa vào triệt tiêu độ không đồng đều của bộ
5


điều chỉnh ở chế độ xác lập. Đây là hệ điều khiển phân cấp nên ta tổng hợp từ
mạch vòng trong ra mạch vịng ngồi.
IV. Xây dựng hàm truyền đạt của thiết bị đo, thiết bị chấp hành
1. Hàm truyền của thiết bị đo mức nước trong bao hơi
Lấy mức “0” là vị trí giữa của bao hơi làm chuẩn thì:
- Khi mức nước trong bao hơi tăng đến mức đầy tối đa +350mm so với
mức “0” lúc đó đầu ra của thiết bị đo mức sẽ có giá trị dòng điện là 20mA.
- Khi mức nước cạn dần qua “0” và xuống đến mức –350mm so với
“0” lúc đó đầu ra của thiết bị đo mức sẽ có dịng điện là 4mA.

Đặc tính của thiết bị đo mức nước trong bao hơi được coi là một đường
thẳng tuyến tính với mức nước từ -350mm qua “0” rồi lên +350mm tương
ứng với đầu ra của thiết bị đo từ thay đổi từ 4 đến 20mA.

Hình 4: Đặc tính của thiết bị đo mức nước trong bao hơi
Hàm truyền của thiết bị đo mức nước trong bao hơi là một khâu quán
tính với đầu vào là chiều cao mức nước L (mm), đầu ra là tín hiệu dịng điện I
(mA) tương ứng với giá trị nhiệt độ thực tế:
G l ( s )=

kl
I ( s)
=
L ( s ) 1+τ l s

trong đó: k l , τ l là hệ số khuếch đại và thời gian quán tính của thiết bị đo
mức.
Với đặc tính thiết bị đo mức như trên, ta tính được
kl =

ΔL I max 16
mA
=
=0.023
ΔL Lmax 700
mm

Thời gian quán tính của thiết bị đo mức thường lấy τ l =0.5 s
2. Hàm truyền của thiết bị đo lưu lượng hơi quá nhiệt/ lưu lượng
nước

Đường đặc tính của cảm biến đo lưu lượng nước/lưu lượng hơi là một
đường thẳng tuyến tính giữa lưu lượng nước và dòng điện tạo ra do chênh áp.
6


Khi lưu lượng hơi hoặc lưu lượng nước là 0 thì dịng điện là 4mA, khi lưu
lượng đạt tới giới hạn lớn nhất là 920T/h thì đầu ra của thiết bị đo lưu lượng
có dịng cực đại là 20mA.

Hình 5: Đặc tính thiết bị đo lưu lượng hơi quá nhiệt/ nước cấp lò
Hàm truyền của thiết bị đo lưu lượng hơi q nhiệt/đo lưu lượng nước
cấp vào lị có thể xấp xỉ là một khâu quán tính bậc nhất với đầu vào là lưu
lượng F (kg/s), đầu ra là tín hiệu dòng điện I (mA) tương ứng với giá trị lưu
lượng thực tế:
G f ( s )=

kf
I (s )
=
F ( s ) 1+ τ f s

trong đó: k f , τ f là hệ số khuếch đại và thời gian quán tính của thiết bị đo
lưu lượng.
Dựa vào đường đặc tính thiết bị đo lưu lượng trong hệ thống lị hơi, ta
tính được
k f=

ΔL I max 16 3600
mA
=

=0.063
ΔL F max 920 1000
kg /s

Thời gian quán tính của thiết bị đo lưu lượng được lấy là τ f =0.25 s
3. Hàm truyền của van nước cấp vào lò hơi
Khi thay đổi tín hiệu khí nén ở đầu vào của van trong dải 0.2-1 kg /c m2
thì độ mở van thay đổi được coi là tuyến tính từ 0-100% và cho dịng nước
chảy qua. Van cấp nước vào bao hơi có lưu lượng lớn nhất qua van là
920T/h, lưu lượng nhỏ nhất qua van là 0. Trong thực tế van có độ kín khít khi
làm việc nên người ta đã chế tạo để van vận hành có độ chính xác cao, độ an
tồn lớn, cho nên khi van mở đến 80% thì lưu lượng nước qua van là 920T/h
và khi van đóng đến 15% thì lưu lượng nước qua van bằng 0, thời gian để
7


van đi hết hành trình từ 0÷100% là khoảng 48(s). Ta có đường đặc tính van
cấp nước như sau:

Hình 6: Đặc tính của van điều chỉnh nước cấp cho bao hơi
Hàm truyền của van cấp nước vào lò hơi được xấp xỉ là một khâu
qn tính bậc nhất có trễ với đầu vào là áp suất khí nén P( kg/c m2 ) và đầu ra là
lưu lượng nước cấp F (kg /s), X (%) là độ mở van:
−θ s
F ( s ) X ( s ) kv e
G v ( s )=
=
X ( s ) P ( s ) 1+τ v s
trong đó: k v là hệ số khuếch đại của van; τ v là thời gian quan tính của
v

van; θ v là hằng số thời gian trễ.
Để xác định hệ số khuếch đại của van, ta thấy khi thay đổi tín hiệu khí
nén đầu vào 0.2-1kg /c m2thì van có độ mở thay đổi từ 0-100%. Nhưng thực tế
khi van mở đến 80% thì lưu lượng nước đã đạt 920T/h và khi van đóng đến
15% thì lưu lượng nước qua van đã gần bằng 0, khoảng thời gian mở van từ
15% đến 80% là 38 giây. Dựa vào đặc tính van cấp nước, ta có:
k v=

ΔL X max ΔL F max 100 920 1000
kg /s
=
=491.5
ΔLP max ΔL X max 0.8 65 3600
kg/c m2

Thời gian quan tính của van được lấy như sau τ v=5.5(s) và thời gian trễ
θ v=1.2(s)
4. Hàm truyền của bộ chuyển đổi dịng điện – khí nén (I/P)
Bộ chuyển đổi I/P có tín hiệu đầu vào là dịng điện I: 4÷20mA và tín
hiệu đầu ra là áp suất khí nén P( kg/c m2 ). Như vậy hàm truyền của thiết bị này
được coi là một khâu khuyếch đại. Lấy hệ số khuếch đại bằng 2 chữ số cuối
của mã sinh viên .Vậy hệ số k I / P được xác định như sau:
k I / P=

ΔL Pmax
=LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính
ΔL I max

5. Hàm truyền của quá trình mức nước bao hơi

Quá trình động học mức nước trong bao hơi có thể được xác định gần
đúng dựa vào đường đặc tính của mức nước bao hơi với đầu vào là lưu lượng
nước, đầu ra là đáp ứng của mức nước trong bao hơi
8


Hình 7: Đ ặc tính động của mực nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp
Quá trình biến đổi động học của mức nước trong bao hơi là phi tuyến
và phức tạp, chịu tác động bởi nhiều thông số như: lương lượng nước cấp,
hơi quá nhiệt, áp suất trong bao, mức nước thực tế trong bao.
Căn cứ vào đặc tính đáp ứng trên, ta thấy hàm truyền của quá trình
mức nước bao hơi khơng có tính tự cân bằng và được mơ tả dưới dạng gần
đúng là một khâu tích phân có trễ:
−θb s

G b ( s )=

L ( s) kb e
=
s
F ( s)

trong đó: k b là hệ số khuếch đại của quá trình mức nước bao hơiθ θb là
hằng số thời gian trễ.
Dựa vào đáp ứng của mức nước bao hơi, ta tính được
k b=

ΔL Lmax 700 3600
mm
=

=2.74
ΔL F max 920 1000
kg /s

Thời gian trễ của quá mình mức nước bao hơi được xác định từ đồ thị
đáp ứng là θb =20.1(s).
V.

Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình mức nước bao hơi

Việc thiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức nước bao hơi được thực
hiện theo từng vòng, từ mạch vòng bên trong rồi đến mạch vịng bên ngồi.
Vì u cầu q trình điều chỉnh có độ chính xác cao trong chế độ xác lập nên
ta có thể chọn luật điều chỉnh tĩnh (P hoặc PD) với hệ số khuyếch đại lớn
hoặc luật điều chỉnh phi tĩnh (I, PI, PID) nhằm triệt tiêu sai lệch. Với thiết kế
9


tốt bộ điều khiển cịn có nhiệm vụ khắc phục nhiễu bên trong. Nhiễu bên
ngoài thường xét là phụ tải thay đổi dưới dạng xung bậc thang, có thể đo
được và để nâng cao chất lượng điều khiển thì có thể xác định kênh khử tác
động ở đầu vào của bộ điều khiển. Với cấu trúc PID được chọn vấn đề đặt ra
là phải xác định các tham số của PID để hệ thống điều khiển đạt chất lượng
tốt.
1. Giai đoạn khởi động lò
Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển như hình 3.1. Hàm truyền của
đối tượng điều khiển có dạng:

G=G I / P G v G b G l=LINK Excel. Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính 1 ! R

Thực hiện xấp xỉ theo Taylor với thành phần phi tuyến e−θs ≈ 1/(1+ θs) ta
được:
G=

LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính 1 ! R 4 C 8 ¿ ¿ ¿ 30.9
s (20.1 s+ 1)(5.5 s+1)(1.2 s+1)(0.5 s+1)

Áp dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ, ở dải tần số thấp
s nhỏ, ta có thể bỏ qua thành phần bậc cao của s, lúc này dạng gần đúng của
đối tượng điều khiển như sau
G=

LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính 1 ! R 4 C 8 ¿
s(20.1 s+1)(7.2 s+1)

Theo phương pháp tối ưu đối xứng với đối tượng trên là khâu tích phân
quán tính bậc hai nên bộ điều khiển được chọn là khâu PID có dạng:

(

R ( s )=k P 1+

k ( 1+T A s)(1+T B s)
k
1
+TDs = P
=k p + I +k D s
TI s
TI s
s

)

Do đó ta tính được:
T A=T 1=20.1 ; T B=4 T 2=4 ×7.2=28.8 ; k P=
T I =T A + T B=48.9; T D =

TI
T
;
2 k T2 4 T2

TATB
=11.8
TI

k P=

TI
T
1
=
2 k T 2 4 T 2 2× LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1

k I=

k P LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính1 ! R 7 C 8 ¿ ¿ ¿
=
TI
48.9

k D =k P T D=LINK Excel. Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsxTrang tính 1 ! R 7 C 8 ¿

Vậy thông số của bộ điều khiển PID:
10


k P=LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1 ! R 7 C 8 ¿ ¿¿ 0.00

;

k I =LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1 ! R 7 C 9 ¿ ¿¿ 0.00

;

k D =LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1 ! R 7 C 10 ¿ ¿ ¿ 0.0

. Sơ đồ mơ phỏng như hình dưới

Hình 8: Mơ phỏng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi giai đoạn khởi
động lò
Khi đặt mức nước trong lò là “0”, tương ứng với mức tín hiệu đặt đầu
vào chuẩn hóa là 1, ta thu được đáp của hệ thống có độ quá điều chỉnh khá
lớn. Ta có đáp ứng như hình dưới

Hình 9: Đáp ứng của hệ thống với bộ PID
Nhận xét: Độ quá điều chỉnh của hệ thống lớn (~ 45.7%), thời gian quá
độ lớn (143.62s), đáp ứng bám theo giá trị đặt với sai lệch xấp xỉ 0.
2. Giai đoạn vận hành lâu dài
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển như hình 3.2. Để tổng hợp bộ điều

khiển cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi ở giai đoạn vận hành lò lâu
dài, ta thực hiện tổng hợp bộ điều khiển cho vòng điều.
11


Hình 10: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển ở giai đoạn lâu dài
2.1.

Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng van cấp nước

Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp vào lò hơi như
sau

Hình 11: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp vào lò
Hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vịng lưu lượng có dạng:

G=G I / P G v G f =LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tí

Thực hiện xấp xỉ theo Taylor với thành phần phi tuyến
e−θs ≈ 1/(1+ θs) ta được:
G=

LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính 1 ! R 11C 8 ¿ ¿ ¿ 30.
(5.5 s+1)(1.2 s +1)( 0.25 s+1)

Áp dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ, ta có dạng gần
đúng của đối tượng điều khiển:
G=

LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính 1 ! R 11 C 8

(5.5 s +1)(1.45 s+1)

Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn với đối tượng là khâu quán tính
bậc hai, thì bộ điều khiển là PI.

(

R F ( s )=k P 1+

k
1
=k P + I
TIs
s

)

Các thơng số tính tốn như sau:
T I =T 1=5.5 ; k P =

T1
5.5
=
2 k T 2 2 × LINK Excel . Sheet .12G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng s

12


k I=

k P LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trang tính1 ! R 1
=
TI
5.5

Vậy thơng số của bộ điều khiển lưu lượng:

k P=LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1 ! R 14 C 8

;

k I =LINK Excel . Sheet .12 G:\\GT_KY7_2022_2023\\DKQT\\tính thơng số.xlsx Trangtính 1 ! R 14 C 9 ¿ ¿ ¿ 0.0

2.2.

Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi

Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi như hình
dưới

Hình 12: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển mức nước bao hơi
Hàm truyền đạt tương đương của mạch vòng điều khiển lưu lượng
nước cấp vào lò Gfobj (s) có dạng
G fobj ( s ) =

1
2 τ 2 s ( τ 2 s +1 ) +1

Hàm truyền của đối tượng mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi
khi bỏ qua hằng số thời gian nhỏ ở dải tần số thấp, gần đúng có dạng:

G ( s )=G fobj Gb Gl=

1 ×2.74 × 0.023
( 2.9 s +1 ) s (20.1 s+1)(1+0.5 s )

Áp dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ ở dải tần số thấp
ta có thể bỏ qua thành phần bậc cao của s, lúc này dạng gần đúng của đối
tượng điều khiển như sau:
G ( s )=

0.063
k
=
s (20.1 s +1)(3.4 s+ 1) Ts(T 1 s +1)(T 2 s +1)

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng khi đối tượng là khâu tích phân
quán tính bậc hai thì bộ điều khiển tối ưu đối xứng được chọn là PID

(

Gc ( s )=k P 1+

k (1+T A s )(1+ T B s)
k
1
+T D s = P
=k p + I + k D s
TI s
TI s
s

)

Chọn a=4, do đó
T A=T 1=20.1 ; T B=4 T 2=4 ×3.4=13.6 ; k P=

TI
T
;
2kT2 4T2

13


T I =T A + T B=33.7 ; T D =

T ATB
=8.1
TI

k P=

TI
T
1
33.7
=
.
=5.7942
2 k T 2 4 T 2 2× 0.063 ×3.4 4 ×3.4

k I=

k P 5.7842
=
=0.1716
TI
33.7

k D =k P T D=5.7842 ×8.1=46.8518

Vậy ta có thơng số của bộ điều khiển PID:
k P=5.7942 ; k I =0.1716 ; k D =46.8518

Sơ đồ mô phỏng hệ thống ở giai đoạn hoạt động lâu dài như hình dưới

Hình 13: Mơ phỏng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi giai đoạn hoạt
động lâu dài
Khi đặt mức nước trong bao hơi duy trì quanh mức nước “0”, tương
ứng với tín hiệu đặt ở đầu vào được chuẩn hóa là 1, ta thu được đáp của hệ
thống

Hình 14: Đáp ứng mức nước bao hơi ở giai đoạn hoạt động lâu dài
14


Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy ở giai đoạn lò hoạt động lâu dài,
với bộ điều khiển PID được thiết kế theo nguyên lý tối ưu đối xứng thì hệ
thống cho đáp ứng mức nước bao hơi có độ quá điều chỉnh lớn ~52.3%, thời
gian quá độ ~ 64.578s, bám theo giá trị đặt với sai số xác lập nhỏ.

15