THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ C

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LƯU VĂN SỞ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ
ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC
NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT
LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Thái Nguyên – 2015
Công trình được hoàn thành tại:
2
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Nguyên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan nhà máy nhiệt
điện từ đó xây dựng mô hình toán cho hệ thống điều khiển mức nước
cấp bình bao hơi.
- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển
mức nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tại
trung tâm thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên.
Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều
khiển được thiết kế.
- Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức
của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ.
3.Nội dung của luận văn
Chương 1. Tổng quan về điều khiển mức nước bao hơi của
nhà máy nhiệt điện.
Chương 2. Mô tả toán học của đối tượng điều khiển mức

nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện.
Chương 3. Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấp
bình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực
nghiệm
Chương 4. Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và ổn
định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển
mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.
Kết luận và kiến nghị
3
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO
HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Tổng quan chung 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
1.2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Lò hơi có các nhiệm vụ chính sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá,
dầu mỏ, khí đốt… trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.
- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi
chất và thông qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin.
1.2.2.Cấu tạo của lò hơi
Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau:
- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu
- Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy
- Hệ thống sử lí nước và cấp nước làm mát
Hình 1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
4
- Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi

- Hệ thống đo lường điều khiển
- Hệ thống an toàn
- Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…
1.2.3. Các loại lò hơi chính
- Lò hơi có bao hơi
- Lò hơi trực lưu
1.2.4. Hệ thống điều khiển lò hơi
1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển
1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
1.3. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt
điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải
được cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau
gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi.
1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi
Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly:
hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng.
1.3.3. Mục tiêu của nghiên cứu
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một
hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển mức nước cấp
trong bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạt
động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không
5
ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên

cứu thiết kế bộ điều khiển PID và triển khai thí nghiệm sau đó đề
xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao
hơi và kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab/Simulink.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt
điện.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là mức nước bao hơi
- Đề xuất phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số
PID để điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi của nhà máy nhiệt
điện trên cơ sở mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm
của trường Đại học kỹ thuật công nghiệp (Mô hình này giống như
nhà máy nhiệt điện).
Trên cơ sở tổng quan về nhà máy nhiệt điện (mô hình nhà
máy nhiệt điện tại Trung tâm thí nghiệm), trong chương 2 sẽ đi sâu
nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho hệ điều khiển mức nước
bao hơi của mô hình nhà máy nhiệt điện.
6
CHƯƠNG II
MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt bài toán.
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều
khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được
minh họa như hình 2.1:
Van

điều
khiển
CV02
Bình
chứa
nước
Bao
hơi
Bình
nước
cấp
bao
hơi
Điện
trở
nhiệ
t
Bơm nước
B02
Hình 2.1: Mô hình NMTĐ tại TTTN của trường ĐH kỹ thuật công nghiệp
Hình 2.2: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
7
2.2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình
bao hơi
Cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển quá trình nói
chung được minh họa như hình 2.2:
2.2.3. Hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.3.1. Thiết bị đo
a. Cấu trúc cơ bản:
b. Đặc tính động

2.2.3.2. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới
biến điều khiển. Hình 2.5 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một thiết bị
chấp hành
Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
8
Cấu trúc cơ bản
Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và
tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van hoặc trục van.
Nếu van được định cỡ tốt thì quan hệ giữa lưu lượng ra và độ
mở van có thể được coi là tuyến tính, ít ra cũng trong phạm vi quan
tâm. 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:
=
+
W ( )
1
V
v
K
s
T s
Trong đó: K = K
v
.K
T
hệ số khuếch đại của van
T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 25 ms =
0,025s
Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,32 ÷ 1KG/cm

2
thì độ mở của
van thay đổi từ 0 ÷ 85%, khi đó hệ số khuếch đại được xác định như
sau:
9
 
= =
 
−
 
2
%®é ë
80
125
1 0,32 /
V
m
K
KG cm
Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 ÷ 80% thì lưu lượng
nước qua van thay đổi từ 0 ÷ 40 T/h. Từ đó hệ số truyền của sự liên
hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:
 
= =
 
−
 
120 /
1,6
80 5 %®é ë

T
T h
K
m
Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín
hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thông
qua cơ cấu van:
 
=
 
 
2
200 % /
W ( ) .
25 / %
V
T h
s
1+ 0.0 s K G cm
Việc xác định hệ số khuếch đại
v
K
và hằng số thời gian
v
τ

của van có thể tiến hành từ thực nghiệm. Hằng số thời gian
v
τ
của

van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành. Thông thường,
v
τ
có
giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 3 ÷ 15 giây.
Hệ số khuếch đại
v
K
cũng có thể được tính toán như sau:
10
v
dF dF dp
K
du dp du
= =
Cơ cấu chấp hành có thể coi là tuyến tính trong toàn bộ dải
làm việc, nên đạo hàm dp/du bằng “1” cho van FC và bằng “-1” cho
van FO. Vì thế với việc chọn van FC ta có:
v
dF
K
dp
=
Nếu van được định cỡ tốt thì ta có thể coi
v
K
là hằng số
trong toàn dải làm việc.
2.2.3.3. Bình bao hơi
Trên cơ sở phân tích ở trên, có thể xác định gần đúng hàm

truyền đạt đối tương. Trong thực tế hàm truyền đạt của đối tượng
không có tính tự cân bằng được mô tả gần đúng như sau:
.
( )
s
dt
K e
W s
s
τ
−
=
Tính hàm truyền đạt của đối tượng mức nước bao hơi
Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là mức nước bao hơi,
thông qua việc tiến hành thí nghiệm lấy đường đặc tính động hoặc
thực nghiệm của hệ điều khiển lưu lượng nước bình bao hơi với tác
động điều chỉnh là van đóng mở hơi nước để xác định tham số của
11
đối tượng. Vậy ta tính chọn được thông số của hàm truyền đối tượng
như sau:
τ
−
=
.
W ( )
s
dt
K e
s
s

Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền

0,08
/
mm
K
t h
 
=
 
 
τ
: hằng số thời gian trễ,
τ
= 15 (s)
Khi đó hàm truyền của đối tượng là:
15
0,08.
( )
s
dt
e
G s
s
−
=
Khâu trễ e
-15s
có thể biến đổi gần đúng như sau:

15
1
1 15
s
e
s
−
=
+
⇒ =
+
0,08
W ( )
(1 15 )
dt
s
s s
2.3. Hàm truyền của hệ thống
Ta có sơ đồ khối như sau:
Hình 2.13: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu
Nhiễu
12
Dựa vào số liệu thực tế, chọn được thông số của hàm truyền
của hệ hở như sau:
H
200 0.08
W ( s )
(0.025s 1) s(15s 1)
=
+ +

Vậy cấu trúc mô tả toán học của hệ thống dưới dạng hàm
truyền như sau.
2.4. Kết luận:
Trong chương 2 ta đã xây dựng được mô tả toán học cho
đối tượng điều khiển và cả hệ thống hở. Dựa vào thông số thực tế
của thiết bị thí nghiệm ta đã xác định được thông số của đối tượng đó
là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của quá trình và cơ cấu chấp
Hình 2.9:Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
200
0.025s 1
+
BĐK
0.08
s(15s 1)
+
(-)
L
đ
L
0.016
0.005s 1
+
13
hành. Đây là, sự chuẩn bị cần thiết cho thiết kế cấu trúc điều khiển
cho đối tượng ở các chương sau.
14
Chương 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI

Trong chương 2, đã tiến hành xây dựng được mô hình toán
học cho đối tượng. Trong chương này, ta đi thiết kế bộ điều khiển
cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển PID kinh
điển.
3.1. Tổng quan bộ điều khiển PID
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.1.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols
3.1.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
3.1.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
3.1.2.1. Nguyên tắc thiết kế
Một hệ thống điều khiển được mô tả:
Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được
tín hiệu vào u(t). Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:
15
( )
( ) ( )
( ) ( )
dk dt
k
dk dt
W .W
W 1
1 W .W
s s
s
s s
= =
+
hay

( )
1jW
k
=ω

(3.6)
3.1.2.2. Phương pháp tối ưu modul
3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng
3.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp
bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
Đây là đối tượng tích phân – quán tính bậc hai.
1 2
k
S( s )
s(1 T s )(1 T s )
= →
+ +
16*0.016
S( s )
s(1 15s )(1 0.025s )
=
+ +
(3.13)
Ta sử dụng bộ điều khiển PID:
200
0.025s 1
+
BĐK
0.08

s(15s 1)
+
(-)
L
đ
L
0.016
0.005s 1
+
16
p A B
p D
I I
k (1 T s )(1 T s )
1
R( s ) k (1 T s )
T s T s
+ +
= + + =

(3.14)
Có các tham số
A B I A B D A 1
T T T ; T T T ; T T
+ = = =
(3.15)
Vì với nó, hệ hở cũng sẽ có hàm truyền đạt dạng (3.16):

p B p B
B

h
2 2
I 2 I B 2
B
p
2
B 2
k k(1 T s ) k T
k(1 T s
G ( s ) R( s )S( s )
T s ( 1 T s ) T T s (1 T s )
k(1 T s )
k
T s (1 T s )
+
+
= = = =
+ +
+
=
+
%

(3.16)
LPID
4
R ( s ) 120 250s
s
= + +
(3.17)

3.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab –
Simulink
3.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
10
20
30
40
50
60
70
80
t(s)
L(%)
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
Ld
Lthuc
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

t(s)
L(%)
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
Ld
Lthuc
17
Hình 3.6: Cấu trúc mô phỏng ĐK mức nước cấp bao hơi
3.3.2. Các kết quả mô phỏng
- Trường hợp mô phỏng với mức nước 70%
- Trường hợp mô phỏng với mức nước thay đổi từ 70% lên 90%
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70%
Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90%
Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm đk mức nước bao hơi
18
3.4.1. Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí
nghiệm
19
Hình 3.10: Bình cấp nước trong thí nghiệm đk mức nước bao hơi
20

Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao
hơi
Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi
21
3.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm
3.4.3. Các kết quả thực nghiệm
- Trường hợp mức nước 80%
- Trường hợp mức nước thay đổi từ 80% xuống 60%
Hình 3.13: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 80%

Hình 3.14: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp từ
80% xuống 60%
22
3.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng về điều khiển mức như trên hình 3.7, hình
3.8 và kết quả thực nghiệm như trên hình 3.13, hình 3.14 cho thấy
kết quả tương tự về chất lượng điều khiển. Như vậy, thông qua thực
nghiệm trên mô hình điều khiển mức của trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp đã chứng tỏ mối liên hệ giữa thực tiễn và lý thuyết. Qua
đó, nâng cao được nội dung và kết quả cho luận văn về tính ứng
dụng vào thực tế.
3.5. Kết luận chương 3
Trong chương ba của luận văn đã thực hiện được các nội
dung rất quan trọng đó là: Thiết kế điều khiển mức cấp bình bao hơi,
đánh giá kết quả tính toán bằng lý thuyết thông qua mô phỏng trên
Matlab – Simulink và thực nghiệm. Qua các kết quả đã nêu ở trên có
thể thấy rằng: giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm thì bộ điều
khiển vẫn tiếp tục được hiệu chỉnh để phù hợp với thiết bị thực trong
công nghiệp.
23
Chương 4
ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƯỚC BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH
ĐỊNH THAM SỐ PID
4. 1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
4.1.1. Mờ hoá
4.1.2. Giải mờ (defuzzyfier)
*. Phương pháp cực đại giải mờ theo hai bước:
*. Phương pháp trọng tâm:
4.1.3. Khối luật mờ và khối hợp thành

4.1.3.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện
4.1.3.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp
thành
4.1.4. Bộ điều khiển mờ
4.1.4.1. Bộ điều khiển mờ động
4.1.4.2 Điều khiển mờ thích nghi
4.1.4.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID
4.2.1. Phương pháp thiết kế
4.2.2. Nhận xét
- Phương pháp thiết kế đơn giản và dễ dàng thay đổi luật
mờ
- Dùng để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID kinh điển
24
4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh
định tham số bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID
Trong đó bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID có
cấu trúc mô phỏng:
Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiển PID
và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
10
20
30
40
50

60
70
80
t(s)
L ( % )
Dap ung muc nuoc bao hoi
Ldat
LPID
LMochinh dinh
25
4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số bộ điều khiển PID
+ Trường hợp mô phỏng với mức nước đặt 70%:
Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiển
mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
Hình 4.18. Đáp ứng mức nước bao hơi khi đặt 70%