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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




CAO THỊ THU





NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP



Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
MÃ SỐ: 60520216



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014



Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN





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

Phản biện 1: TS. Đỗ Trung Hải
Phản biện 2: GS.TS. Bùi Quốc Khánh







Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 15 giờ 30, ngày 24 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
1

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

- Về mặt lý thuyết đã giải quyết đầy đủ những vấn đề liên quan đến
chuyển động van bao gồm tính toán, khảo sát và mô phỏng hệ điều
khiển chuyển động cho hệ điều khiển van giúp cho việc đánh giá sơ bộ
khả năng ứng dụng của hệ cho van cánh hướng.
- Thí nghiệm thành công hệ truyền động của trường cụ thế là hệ T-Đ
với những chế độ làm việc khác nhau từ kết quả này so sánh với kết quả
lý thuyết để từ đó khẳng định hệ truyền động được chọn và đã thí
nghiệm là hệ T-Đ thỏa mãn để điều khiển chuyển động van.
- Xây dựng được hệ điều khiển ổn định vị trí của van cánh hướng dựa
trên cơ sở hệ T-Đ đã chọn để khảo sát, đánh giá sơ bộ chất lượng hệ
điều khiển vị trí này.
2

- Trên cơ sỏ phân tích những hạn chế của mạch vòng vị trí đề xuất bộ
điều khiển phi tuyến thích hợp(mờ lai, mờ thích nghi) nhằm nâng cao
chất lượng hệ thống.
3. Dự kiến kết quả:
- Hoàn thành phẩn tổng quan về truyền động van.
- Chọn hệ truyền động thích hợp bao gồm cả tính toán lý thuyết và thí
nghiệm thành công.
- Xây dựng được hệ điều khiển mạch vòng vị trí đồng thời mô phỏng,
đánh giá sơ bộ hệ thống này.
- Chọn phương án mờ thích nghi để nâng cao chất lượng.
4. Nội dung của luận văn:
Với những vấn đề được đề xuất ở những phần trên bản luận văn
này sẽ thực hiện và chia làm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển van trong công nghiệp
Chương 2: Khảo sát,tính toán và kiểm nghiệm hệ T-Đ để điều
khiển van cho lò hơi
Chương 3: Khảo sát mạch vòng vị trí ổn định chuyển động

cánh hướng van hơi
Chương 4 : Ứng dụng điều khiên mờ thích nghi để nâng cao chất
lượng hệ truyền động van cho lò hơi công nghiệp

Kết luận và kiến nghị








3

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP
1. Van điều khiển:
van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan
trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều khiển lưu lượng của một lưu
chất qua ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. .
1.1. Cấu trúc cơ bản của van điều khiển:


Hình 1-2. Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
1.2. Kiểu tác động của van:
2. Ứng dụng van để điều khiển khói cho lò hơi.
4

3. Các hệ truyền động điều khiển van:
Ở bản luận văn này sẽ nghiên cứu điều khiển van cánh hướng
và sơ đồ khối được thể hiện như hình 1-12

Kết luận chương 1:
- Tổng quan về van điều khiên.
- Ứng dụng van điều khiển để điều khiển khói cho lò hơi.
- Chọn được hệ truyền động T- Đ làm hệ thống truyền động để
điều khiển chuyển động vị trí cánh hướng van.
- Chương tiếp theo sẽ tính toán khảo sát, và kiềm nghiệm cho lò
hơi công nghiệp.







5


CHƯƠNG 2
KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ T-Đ ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN VAN CHO LÒ HƠI

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

Cảm biến vị trí

Hình 2-1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí van cho lò hơi
2.1. Tính toán và khảo sát hệ truyền động T-Đ:
2.1.1. Tổng hợp hệ điều khiển R
i
và R

:
2.1.1.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện R
I



Hình 2-2. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
6

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

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

2.1.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R

:
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau:

2.1.1.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ
I
R
W
T

W
R
W

( )
D p
W
c
M
( )
C p
W
I
CB
W
CB
W

d



Hình 2-5. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động T-Đ

2.2. Thí nghiệm:
2.2.1. Giới thiệu bài thí nghiệm:
2.2.1.1.Mạch động lực của hệ T-Đ:
7

a. Thiết bị mạch động lực bao gồm:

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


8

b. Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch điện:
2.2.1.2. Mạch tạo xung điều khiển:
a. Sơ đồ và thiết bị mạch:
b. Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung điều khiển:
2.2.1.3. Mạch phụ tải:
a. Thiết bị mạch phụ tải bao gồm:
b. Sơ đồ nguyên lý tải:

Hình 2- 12. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của hệ tải
2.2.2.Sơ đồ lắp ráp:
Sơ đồ lắp ráp bộ chỉnh lưu thê hiện ở hình 2.13 kèm theo bảng
kê chức năng của các thiết bị trên mô đun:
9


Hình 2-13. Sơ đồ bố trí thiết bị trên modul chỉnh lưu cầu 3 pha
2.2.3. Qúa trình thí nghiệm:
Để đo và kiểm nghiệm dùng máy hiện sóng 3 tia đo được:
2.2.3.1. Điện áp đồng bộ hoá và điện áp răng cưa
* Điện áp đồng bộ hoá ở một mạch tạo xung
10


Hình 2-14. Điện áp khâu đồng bộ hóa

* Điện áp răng cưa ở một kênh tạo xung

Hình 2-15. Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa
* Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

Hình 2-16. Điện áp khâu sửa xung và gửi xung
11

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

Hình 2-17. Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P
* Thí nghiệm 2: Khi động cơ quay theo chiều thuận
với bộ điều khiển PI
- Kết quả:

Hình 2-18. Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI
* Thí nghiệm 3: Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P
12


Hình 2-19. Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P
 Thí nghiệm 4: Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều
khiển PI

Hình 2-20. Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển PI
2.3. Đánh giá kết quả thí ngiệm hệ truyền động T-Đ:
Kết luận chương 2:
- Tổng hợp được bộ điều khiển dòng điện RI.
- Tổng hợp được mạch vòng tốc độ

- Xây dựng được sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ
- Thí nghiệm được hệ T-Đ cho truyền động van.
- Chương tiếp theo sẽ khảỏ sát hệ truyền động vị tri cánh hướng van.
13

CHƯƠNG 3
KHÁO SÁT MẠCH VÒNG VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG
CÁNH HƯỚNG VAN HƠI
3.1. Đặt vấn đề:

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

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

Hình3-2. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí

Hình 3-3. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí
14

3.3. mô phỏng hệ điều khiển vị trí ổn định cánh hướng van:
3.3.1.tính toán các thông số của hệ:
3.3.1.1. Các thông số cho trước của hệ truyền động:
3.3.1.2. Tính toán các thông số và hàm số truyền hệ truyền động:
R

(p)=1,656(1+0,0268p)
3.3.2. kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID:

SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK
Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình 3-4 và dùng Matlab

simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình…

3.3.2.1.
Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của
vị trí đặt đầu vào φ
đặt
= 10V.
15

Vị trí cánh hướng




3.3.2.2. Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí
đặt đầu vào φ
đặt
= 6V.

16









17

Các chỉ tiêu chất lượng của vị trí
cánh hướng
Bộ điều khiển PID kinh điển
Độ quá điều chỉnh 8%
Thời gian quá độ 12s

Kết luận chương 3:
- Xây dựng được sơ đồ điều khiển vị trí.
- Tổng hợp được hệ điều khiển chuyển động vị trí.
- Mô phỏng được trên matlab simulink
- Vì chọn là khâu tuyến tính nên chất lượng không cao, chương
tiếp theo sẽ ứng dụng mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ
thống.
18

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

4.1.Đặt vấn đề:
4.2. Định nghĩa hệ mờ thích nghi:
4.2.1. Điều khiển mờ
4.2.2. Điều khiển thích nghi
Trong luận văn này chọn điều khiển mờ theo hình mẫu:

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

Hình 4-9. MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra
và hệ số tích phân sai lệch đầu vào
4.2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient
4.2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov
4.2.2.3. Phân loại.
19

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

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

Hình 4-13. Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
4.3. Thiêt kế bộ điều khiên mờ thích nghi:
4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ:
4.3.1.1. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ
* Chọn các hàm liên thuộc
* Chọn luật điều khiển
* Các thao tác mờ trong ô suy luận
- Mờ hoá
- Suy diễn mờ
- Giải mờ
4.3.2 . Xây dựng hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song:
4.3.2.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích
nghi kinh điển

20

- Luật thích nghi theo Lyapunov

- Luật thích nghi theo Gradient
* Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra bộ điều khiển
mờ (thích nghi 1 tham số).
* Điều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra và hệ số tích
phân sai lệch đầu vào của bộ điều khiển mờ (thích nghi 2 tham số)
4.3.3. Qúa trình thiết kế cụ thể:
4.3.3.1. Sơ đồ khối mờ
4.3.3.2. Định nghĩa tập mờ
4.3.3.3. Xây dựng các luật điều khiển “ nếu thì”
4.3.3.5. Giải mờ
4.3.3.6. Sơ đồ mô phỏng

Hình 4-26. Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID
và bộ điều khiển mờ thích nghi
4.3.3.7. Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển
mờ thích nghi
Vị trí cánh hướng
a. Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí
đặt đầu vào φ
đặt
= 10V.
21





22

b. Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí
đặt đầu vào φ
đặt
= 6V.


Nhận xét:
Hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển thích nghi rõ ràng có
chất lượng tốt hơn so với bộ điều khiển PID thể hiện qua hình 4-27
23


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

Các chỉ tiêu chất lượngvị trí
cánh hướng van
Bộ điều khiển
mờ thích nghi
Bộ điều khiển PID
kinh điển
Độ quá điều chỉnh 0 8%
Thời gian quá độ 8.7s 12s
Số lần quá điều chỉnh 0 2
Dao động khi áp tải không có

Kết luận chương 4:
- Nêu được lý do chọn mờ thích nghi để nâng cao chất lượng.
- Thiết kế được bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất
lượng hệ thống.

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