tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG dây CHUYỀN cấp THAN CHO lò hơi NHÀ máy NHIỆT điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DÂY
CHUYỀN CẤP THAN CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN
DƯƠNG MẠNH LINH
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Võ Quang Lạp
Phản biện 1 : PGS.TS Lại Khắc Lãi
Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 13 giờ 30 phút ngày 25 tháng 10 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
MỞ ĐẦU
Tại Việt Nam nhà máy nhiệt điện cung cấp 1 lượng điện đáng kể vào lưới điện
quốc gia. Trong nhà máy nhiệt điện có nhiều khâu chứa đựng những kỹ thuật mới và
phức tạp.1 trong những khâu đó là hệ thống cân băng cấp liệu cho lò hơi . Vì vậy tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng dây truyền cấp than cho lò hơi nhà máy
nhiệt điện”. Trong phạm vi đề tài này sẽ đi giải quyết 2 vấn đề đó là:
- Khảo sát, nâng cao chất lượng điều khiển trong dây truyền cấp than cho nhà
máy nhiệt điện nói chung và các nhà máy có dây truyền cấp liệu tương tự.
- Vấn đề điều khiển phân tán DCS và tìm hiểu ứng dụng DCS trong nhà máy
nhiệt điện cụ thể.
Kết quả của đề tài là m tài liệu quý giúp cho việc tìm hiểu nghiên cứu cũng như
ứng dụng để điều khiển các thiết bị điện trong nhà máy nhiệt điện nói riêng và nhà

máy công nghiệp nói chung.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Võ Quang Lạp
đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ này.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám
Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về
mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11 năm 2011
Người thực hiện
Dương Mạnh Linh

1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP LIỆU CHO LÒ HƠI NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1 Các yêu cầu về nhiên liệu.
1.1.1 Các yêu cầu về nhiên liệu than.
Than là nhiên liệu chính sử dụng cho quá trình cháy trong lò hơi nhà máy nhiệt
điện chạy than. Ngoài đốt than người ta còn kèm đốt dầu FO hoặc đốt dầu FO lúc khởi
động, ngưng lò hay khi phụ tải thấp. Lượng nhiệt tỏa ra lớn nhất khi chỉ đốt dầu là
tương đương với 30% công suất định mức của lò hơi. Lò hơi khi đốt than nếu vận
hành ở chế độ lớn hơn 60% công suất định mức thì sẽ không cần đốt dầu hỗ trợ.

Hình 1.1: Các bước chuần bị trước khi đưa than vào buồng đốt .
1.1.2 Sự trộn nhiên liệu than - dầu, than – nước
Ngoài việc sử dụng than khô làm nhiên liệu cháy thì trong một số nhà máy
người ta còn dùng nhiên liệu than – dầu và than – nước. Đó là sự kết hợp của các
nhiên liệu khác nhau để giảm giá thành của nhiên liệu.
Nhiên liệu than – dầu là sự hòa trộn giữa than nghiền và dâù trở thành hỗn hợp
keo. Trong hỗn hợp này thì than chứa khoảng xấp xỉ 50%. Hỗn hợp này tạo nên thể
vẩn (thể lỏng với những hạt chất rắn bay lơ lửng). Nhiên liệu đốt là than – dầu có giá

2
rẻ hơn giá nhiên liệu đốt chỉ là than. Với cùng một lượng như nhau thì nhiên liệu than
– dầu sẽ tỏa ra nhiệt lượng cao hơn nhiên liệu chỉ là than khô.
1.1.3 Các loại thiết bị lò đốt
Các lò đốt được chia làm 3 loại chính
- Lò cháy lan
- Lò cấp dưới (underfeed)
- Lò cấp trên (overfeed)
1.2 Hệ thống nghiền và vận chuyển than nghiền.
Than cấp cho lò hơi được nghiền nhỏ bởi máy nghiền thành các dạng bột rồi
được thổi phun vào trong buồng đốt. Đứng trên quan điểm điều khiển thì quá trình đốt
bụi than nghiền tương tự như đốt nhiên liệu khí, nhiệt lượng tăng rất nhanh theo sự
thay đổi của lưu lượng than cấp. Tùy thuộc vào loại máy nghiền được sử dụng mà
dung lượng than chứa trong máy nghiền là nhiều hay ít trước khi được đưa vào buồng
đốt. Mỗi hệ thống nghiền than có thể phục vụ cho một hay nhiều lò đốt. Thực hiện
được điều đó thì các ống dẫn than chính vào mỗi lò có kích cỡ và các hệ thống lưu
thông dòng than tương ứng với từng lò.
1.2.1 Hệ thống cấp và nghiền than.
Hệ thống nghiền than cho 1 lò gồm 4 máy nghiền, mỗi máy nghiền gồm 2
boongke than nguyên, 2 máy thứ cấp than nguyên, máy nghiền có cấu tạo đầu ra kép, 2
bộ phận phân ly than thô, hệ thống thông gió cấp 1 và các hệ thống liên quan để sấy và
cấp than được nghiền tới 32 rãnh vòi đốt than bột. Các boongke than nguyên liệu liên
tục được cấp đầy bằng hệ thống băng tải. Ở máy nghiền, than được nghiền nhỏ với
kích cỡ đạt yêu cầu (tới độ mịn yêu cầu). Sau đó than nghiền được hệ thống gió cấp 1
(hỗn hợp gió nóng và gió lạnh) vận chuyển qua bộ phân ly than thô và bộ phân ly
xyclone tới các rãnh và vòi đốt.
- Hệ thống cấp và nghiền than bao gồm:
- Máy cấp than nguyên.
- Máy nghiền và bộ phận phân li.

1.2.1.1 Máy cấp than nguyên.

3
Than được vận chuyển theo băng tải lên đỉnh boongke than, ở đầu ra của
boongke than nguyên được cấp xuống đầu vào máy cấp than nguyên qua ống rót hình
nón bởi một van điều khiển. Thông thường mỗi lò hơi được trang bị 8 máy cấp than
nguyên (2 máy cấp cho 1 máy nghiền) đặt ở đầu ra của boongke than nguyên.
Động cơ dẫn động máy cấp than nguyên có thể thay đổi tốc độ và được điều
chỉnh tải theo sự thay đổi của máy nghiền. Khi yêu cầu tải tăng lên thì tốc độ máy cấp
phải được điều chỉnh tăng lên để đáp ứng lượng than yêu cầu. Trong máy cấp than
nguyên có một hệ thống cân điện tử cung cấp chỉ số lưu lượng than tại chỗ, từ xa và
tổng lượng than qua máy nghiền. Hệ thống cấp than được thiết kế để đảm bảo việc
cung cấp than từ boongke vào máy nghiền một cách chính xác, tin cậy và không bị
gián đoạn. Than từ boongke được cấp ở một tốc độ xác định được điều khiển trên băng
chính của máy cấp than nguyên.
Có 2 loại máy cấp:
- Máy cấp thể tích
- Máy cấp trọng lượng
1.2.1.2 Máy nghiền và bộ phận phân li.
*) Máy nghiền
Máy nghiền có nhiệm vụ nghiền than thô từ máy cấp đưa xuống thành than bột
với kích thước nhỏ cỡ µm rồi đưa vào buồng đốt. Hỗn hợp than – gió ở đầu ra của máy
nghiền được hâm nóng trước khi đưa vào buồng đốt.
Có 3 phương pháp nghiền:
- Phương pháp va chạm
- Phương pháp tiêu hao
- Phương pháp ép nhỏ
Phân loại máy nghiền:
- Máy nghiền kiểu bi
- Máy nghiền kiểu trục lăn

- Máy nghiền kiểu ống bi
1.2.2 Hệ thống vận chuyển và cấp than nghiền

4
Than sau được nghiền đạt độ mịn yêu cầu (than bột) sẽ được vận chuyền đến
buồng đốt để phục vụ cho quá trình cháy trong lò hơi. Than bột được vận chuyển bởi 1
hệ thống gió cấp 1 liên tục được thổi qua máy nghiền, đầu ra của máy nghiền là hỗn
hợp than và gió sẽ được đưa đến các vòi đốt qua các đường ống kim loại.
1.3 Hệ thống điều khiển nhiên liệu than
Hệ thống điều khiển nhiên liệu than là hệ thống quan trọng bậc nhất, nó đảm
bảo cân bằng năng lượng giữa đầu ra và đầu vào. Lượng đặt cho hệ điều khiển nhiên
liệu là tổng năng lượng điện yêu cầu (MW) được tính toán quy đổi bằng tổng nhiệt
năng yêu cầu.
Điều khiển lượng than đồng thời yêu cầu phải điều khiển luồng gió để vận
chuyển lượng than đó và hỗn hợp than – khí đưa vào buồng đốt đảm bảo quá trình
cháy. Than cấp vào buồng đốt được lấy từ đầu ra của máy nghiền. Lượng than ở đầu ra
của máy nghiền phụ thuộc vào một số yếu tố cơ bản sau:
- Tốc độ cấp than nguyên
- Lưu lượng gió cấp 1
- Chất lượng than nghiền
1.3.1 Hệ thống điều khiển dòng than nghiền
Với mỗi lò hơi cụ thể thì có những khối logic điều chỉnh riêng, những khối
logic này chứa các hàm chức năng, tính toán để điều khiển bao gồm: điều khiển hỗn
hợp than – khí, điều khiển than cấp và điều khiển gió cấp 1.
Đối với loại máy nghiền sử dụng quạt gió sơ cấp trước máy nghiền để vận
chuyển than nghiền, thì người ta có thể chỉ điều khiển máy nghiền riêng biệt và có tín
hiệu về giới hạn tốc độ cấp than từ hệ thống gió vận chuyển.
1.3.2 Hệ thống điều khiển song song than và gió
Hệ thống điều khiển song song than và gió thường được áp dụng đối với các hệ
thống nghiền than rải nhiên liệu. Hệ thống điều khiển mức than có trục liên kết với cơ

cấu cơ khí cấp than tại mỗi máy rải.
1.3.3 Hệ thống điều khiển sử dụng hệ thống phụ phân tích O2 trong khói

5
Để quá tình cháy trong lò hơi xảy ra tối ưu thì lưu lượng gió đưa vào lò phải
phù hợp với lưu lượng than cấp vào. Lưu lượng than và gió cấp vào lò luôn luông xác
định theo 1 tỷ lệ nhất định (nằm trong 1 dải cho phép).
1.3.4 Bù BTU cho than
Than được đốt tỏa lượng nhiệt nhiều hay ít tùy thuộc nhiều vào lượng BTU
chứa trong than và tro cháy, chúng phụ thuộc vào độ ẩm và chất lượng của than. Chính
sự thay đổi BTU dẫn tới thay đổi lượng nhiệt tỏa ra với cùng một khối lượng nhiên
liệu như nhau đã tạo ra nhiều những vấn đề thách thức cho những nhà thiết kế hệ
thống điều khiển.
Kết luận:
Qua nội dung chương 1 ta thấy nổi lên hai vấn đề:
- Vấn đề điều khiển hệ thống cấp liệu cho lò hơi nhà máy nhiệt điện khá phức
tạp. Trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại, người ta thường sử dụng bộ điều
khiển DCS để giải quyết các bài toán đặt ra. Phần tìm hiểu về DCS trong
bản luận văn này sẽ được trình bày ở phần chuyên đề
- Vấn đề cân băng than là một khâu quan trọng trọng nhất trong hệ thống cấp
liệu cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện. Trong các chương tiếp theo của đề
tài luận văn sẽ đi tìm hiểu sâu về vấn đề này.

6
CHƯƠNG 2: NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG THAN CUNG CẤP CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Vai trò của hệ thống cân băng trong dây chuyền nhà máy
Vai trò của băng tải trong các nhà máy công nghiệp là vô cùng quan trọng, điều
này được thể hiện rõ nét trong các nhà máy nhiệt điện, xi măng, các nhà máy chế biến
thức ăn gia xúc, các nhà máy chế biến thực phẩm Các băng tải đóng vai trò vận

chuyển nguyên vật liệu, thành phẩm thay cho sức người và các phương tiện vận
chuyển cơ động khác .
Vấn đề đặt ra là trong quá trình sản xuất đòi hỏi tính liên tục, pha trộn nguyên
liệu có độ chính xác, phải thấy và cân được khối lượng nguyên vật liệu đã được vận
chuyển theo yêu cầu của thành phẩm. Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng cân băng
định lượng. Hệ thống cân băng định lượng là một trong những khâu quan trọng giúp
cho nhà máy hoạt động một cách liên tục. Cân băng định lượng là một khâu trong dây
chuyền công nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy,
lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt một giá trị trước. Khi mà lượng
nguyện liêu trên băng tải ít đi thì đòi hỏi phải tăng tốc động cơ lên để băng tải chuyển
động nhanh hơn nhằm cung cấp đủ lượng nguyên liệu cần thiết. Ngược lại khi lượng
nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lưu lượng nhiều thì các thiết bị tự động sẻ tự
động điều khiển cho động cơ quay với tốc độ chậm lại phù hợp với yêu cầu.
2.2. Xây dựng nguyên lý làm việc của cân băng định lượng
Có 2 cách cơ bản để xây dựng nguyên lý đo và làm việc của cân băng.
- Đo theo năng suất.
- Đo theo khối lượng.
2.2.1. Nguyên lý đo theo năng suất.
Ta có công thức:
Q
t
=m.v.t
Trong đó: m: khối lượng (kg)
v: tốc độ băng tải (m/s)
t: thời gian đặt (ms)
Với năng suất Q sau khoảng thời gian t1 (ms) ta tiến hành đo một lần và sẽ so

7
sánh với năng suất yêu cầu (Qyc).
- Nếu Q>Qyc thì vận tốc băng tải giảm.

- Nếu Q<Qyc thì vận tốc băng tải tăng.
2.2.2. Nguyên lý đo theo khối lượng.
Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định lượng cân chính xác theo lượng
đặt ban đầu. Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:
Q = δ.v [ kg/s ]
hay:
1000
3600 v
Q
δ
=
Trong đó:
δ : khối lượng tải theo chiều dài [kg/m]
v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]
2.3 Các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống cân băng định lượng.
2.3.1 . Cấu trúc của một hệ thống cân băng định lượng.
Cân băng định lượng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy nâng vận
chuyển. Là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng hạt, cục (cát, đá
dăm, than, thóc gạo ) hoặc các vật liệu thể rắn (gỗ, hòm , thép thỏi) theo phương nằm
ngang hoặc theo mặt phẳng nghiêng. Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản
xuất, là cầu nối giữa các hạng mục, công trình sản xuất riêng biệt giữa các phân xưởng
trong một nhà máy, giữa các máy sản xuất trong một dây chuyền sản xuất.
Hệ truyền động cân băng định lượng gồm có:
+ Động cơ điện
+ Hộp số
+ Trục chính (hoặc truyền động xích, dây cơroa…)
+ Băng tải
+ Phễu
+ Cơ cấu cân định lượng

8
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động cân băng
2.3.2 . Đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền động băng tải phối liệu
A . Loại phụ tải
Đặc tính cơ của máy sản xuất thường có dạng:
Trong đó: Mco - Mômen ứng với tốc độ ω = 0
M
đm
- Mômen ứng với tốc độ w
đm
M
c
- Mômen ứng với tốc độ ω
Với băng tải α = 0. Do đó ta có M
c
= M
đm
= const . Ta thấy rằng tải của hệ
truyền động băng tải phối liệu hầu như ít thay đổi trong quá trình làm việc. Hệ truyền
động này là hệ làm việc ở chế độ dài hạn.
B . Chiều quay của băng
Băng tải nhận vật liệu từ phễu và vận chuyển đến nơi phối liệu nên chuyển
động của nó là theo một chiều bắt buộc và không có đảo chiều quay. Nếu đảo chiều
quay của băng tải thì do quán tính nguyên vật liệu sẽ rơi vãi, không bảo đảm được yêu
cầu phối liệu.
Ngoài ra khi đảo chiều thì có một số phần của vật liệu không chuyển qua được
thiết bị cảm biến để cân chính xác.
C . Giản đồ phụ tải

9

Hình 2.2: Giản đồ phụ tải
- Đoạn 01 là đoạn băng tải được khởi động. Vì băng tải làm việc ở chế độ dài
hạn, số lần đóng cắt ít. Các yêu cầu về khởi động động cơ là không nặng nề. Ta có thể
cho băng tải khởi động đến tốc độ làm việc và ổn định ở tốc độ đó rồi mới cho guyên
vật liệu rơi xuống băng từ phễu.
- Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải Mc không đổi. Biến thiên dw/dt chỉ
có trong giai đoạn tốc độ biến thiên tức đoạn 01 và 23.
- Đoạn 23 là đoạn giảm tốc và dừng băng tải. Ta cũng có thể cho băng tải dừng
tự do, hoặc dừng tự do có dùng thêm phanh hãm.
D . Các yêu cầu về khởi động và hãm
Hệ truyền động băng tải phối liệu khi khởi động với gia tốc lớn sẽ làm tăng lực
đàn hồi gây biến dạng băng và làm đứt băng. Để hạn chế điều này ta phải sử dụng
khâu giảm tốc khi khởi động.
Để động cơ có thể khởi động được sau khi mất điện trong quá trình làm việc thì
chọn động cơ có mômen khởi động đủ lớn.
Khi dừng thì không yêu cầu dừng chính xác, nhưng cũng tránh cho hệ dừng với
gia tốc lớn gây hỏng, đứt băng. Hệ truyền động băng tải thường làm việc liên tục ít khi
phải dừng nên không cần thiết kế bộ giảm tốc. Cũng không cần thiết kế phanh hãm vì
khi kết thúc công việc ta sẽ để cho băng dừng tự do.
E . Sơ đồ động học
Sơ đồ động học của hệ truyền động cân băng định lượng có dạng đơn giản như sau:

10
Wc
Pc
Mc
Wd
i
n
puli chñ ®éng kÐo

m¸y s¶n xuÊt
%100%100
%
d
td
dm
w
ww
w
w
−
=
∆
=∂
Hình 2.3: Sơ đồ động học
Trong đó:
1- Động cơ điện
2- Hộp tốc độ
3- Trục chính để lắp vào máy quay băng tải.
G . Hệ truyền động nhiều động cơ
Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp trong một dây truyền đòi hỏi phải đồng bộ hoá
tốc độ của các động cơ truyền động và đặt các khoá liên động cần thiết bảo đảm thứ tự
tác động. Khi đó tốc độ động cơ phải bằng nhau trong mọi trường hợp để tránh các lực
đàn hồi trên băng.
H . Độ chính xác
Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng , được đánh giá bởi sai lệch tĩnh:

I . Dải điều chỉnh
D = wmax : wmin
2.4 Các phương án thiết kế điều khiển cân băng định lượng

Từ những nguyên lý đo và làm việc của cân băng (mục 2.2) thấy có 2 nguyên
tắc điểu khiển cân băng cơ bản đó là:
- Điều khiển theo năng suất.
- Điều khiển theo khối lượng.
Từ đó ta chọn nguyên tắc điều khiển theo khối lượng (chiều dài) => ta sẽ thiết
kế hệ điều khiển
Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ
trong hệ thống điều khiển kín có mạch phản hổi. Phần tử chuyển đổi của mạch phản

11
hồi thường sử dụng hai kiểu tương tự và số. Do đó chúng ta có hệ điều khiển số và
điều khiển tương tự:
2.4.1. Hệ điều khiển tương tự
Hình 2.4: Hệ thống điều khiển kín dùng Loadcell.
2.4.2. Hệ điều khiển số
Hình 2.5: Hệ thống điêu khiển kín dùng phản hồi số.
=> Từ 2 hệ thống trên để phù hợp với yêu cầu ta chọn hệ điều khiển tương tự
2.5. Các hệ thống truyền động cho cân băng
Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết
quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả
mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ
truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một
vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Lựa chọn phương án

12
truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động một chiều hay
xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ
biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của cân băng
thì ta có các phương án truyền động sau:

- Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ 1 chiều (Hệ T-
Đ).
- Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ 1 chiều (Hệ XA-Đ).
- Hệ thống truyền động vécto biến tần động cơ không đồng bộ ba pha
Ta thấy:
Hệ thống biến tần động cơ không đồng bộ ba pha, hệ thống thyristor động cơ
và hệ thống xung áp động cơ ta nhận thấy. Cả ba hệ thống đều đáp ứng được yêu cầu
truyền động của hệ thống điều tốc.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, hệ thống điều chế độ rộng xung PWM do
các linh kiện bán dẫn tạo thành sử dụng các transito GTO, GTR và P-MOSFET, chúng
có rất nhiều ưu điểm: (1) mạch điện chính đơn giản, các linh kiện công suất ít; (2) tần
số đóng mở cao, dòng điện dễ giữ được liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của
động cơ khá nhỏ; (3) có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao khi tốc độ
ổn định, vì vậy phạm vi điều tốc rộng; (4) dải tần của hệ thống rộng, tính thích nghi
nhanh nhậy rất tốt, khả năng chống nhiễu trạng thái động mạnh; (5) các linh kiện của
mạch điện chính làm việc ở trạng thái đóng mở, tổn hao khi mở thông nhỏ, hiệu suất
thiết bị khá cao; (6) dòng điện một chiều khi sử dụng hệ thống chỉnh lưu ba pha không
điều khiển được, hệ số công suất của mạng cao. Từ những ưu điểm nổi trội của hệ
thống xung điện áp do đó trong đề tài này chọn hệ thống xung điện áp làm hệ truyền
động cho hệ thống điều tốc.


13
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG
Như đã trình bày ở trên, để phù hợp với yêu cầu của hệ truyền động, ta chọn hệ
điều chỉnh động cơ một chiều điều chỉnh theo nguyên tắc Xung- điện áp. Qua phân
tích cơ cấu cân băng, ta thấy rằng hệ truyền động này bao gồm ba mạch vòng điều
chỉnh, đó là mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch
vòng điều chỉnh khối lượng.
3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Từ những phân tích trên ta có sơ đồ khối và sơ đồ cấu trúc của hệ thống như
sau:


Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cân băng.
Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động điều khiển cân băng như sau:
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động điều khiển cân băng
3.2. Hàm số truyền các khâu trong sơ đồ
3.2.1. Hàm số truyền của động cơ

14
1
.)(
+
≈=
−
Tp
K
eKpW
PWM
Tp
PWMPWM
1
)(
+
=
pT
K
pW
FT

ω
ω
Khi giữ nguyên từ thông kích từ không đổi:

=
φ
K
const
)()1).(()( pKpTpIRpU
uu
φω
++=

)()()( pJppMpIK
C
ωφ
=−

Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 3.3.
ϖ
K
φ
1
JP
M
C
1+PT
U
1/R
U

K
φ
U
E
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
3.2.2. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM
Vậy hàm truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến đổi PWM là:

Trong đó:
+ K
PWM
= U
d
/ U
dk
: Hệ số khuyếch đại của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến
đổi PWM.
+ U
d
: Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
+ U
dk
: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
+ T : Thời gian chu kỳ điện áp ra.
3.2.3. Hàm truyền của máy phát tốc một chiều
Trong mạch vòng tốc độ người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc
độ động cơ. Để làm được điều đó thông thường ta dùng máy phát tốc và được nối cứng
với trục động cơ.
Hàm truyền phát tốc:
Trong đó:

Tω: Hằng số thời gian của máy phát tốc.
Kω: Hệ số phản hồi của máy phát tốc.

15
1)(
1
)(
+
=
pT
pW
3.2.4. Hàm truyền của thiết bị lấy tín hiệu dòng điện
Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống
chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng điện. Có nhiều cách
để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể dùng máy biến dòng.
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:

Trong đó: T
i
- hằng số thời gian của máy máy biến dòng.
K
i
- hệ số phản hồi dòng điện.
3.2.5. Hàm truyền của cảm biến áp lực
Cảm biến áp lực có hàm truyền là khâu quán tính bậc 1:

Trong đó:

)( pT
: hằng số thời gian của khâu cảm biến áp lực.

3.3. Tổng hợp hệ điều khiển
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh
3.4. Mô phỏng hệ truyền động cân băng khi sử dụng bộ điều khiển PID
3.4.1. Tính toán các thông số hệ truyền động
* Thông số các khâu hệ truyền động: phụ lục.

pT1
K
(p)w
i
i
BI
+
=
16
P2T1
1
si
+
P2T1
K
ω
ω
+
PTC
R
cu
JP
1
i

K
1
R
ω
R
ϕ
JP
1
P2T1
K
ϕ
ϕ
+
ϕ
d
(p)
ϕ(p) ω(p)
ω
d
(-)
(-)
(-)
U
i
(p)
I
M
C
ω ϕ
* Tính toán các thông số: phụ lục.

3.4.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển cân băng định lượng sử dụng bộ
điều khiển PID.
Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng mạch
vòng điều chỉnh khối lượng và mạch vòng điều chỉnh tốc độ (trong đó bao gồm cả
mạch vòng điều chỉnh dòng điện) của hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều chế
độ rộng xung điện áp. Đồng thời, để đơn giản cho quá trình mô phỏng ta chọn các
khâu phản hồi tốc độ có γ =1, phản hồi vị trí có ϕ = 1 như hình 3.9 với bộ điều chỉnh
tốc độ là khâu PI.
Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID kinh điển
3.4.3. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng được thể hiện dưới đây đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật để ra:

17
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng với các chỉ tiêu tốc độ, dòng điện và khối lượng.
Nh ậ n xét:
Chất lượng của hệ thống điều khiển khối lượng sử dụng bộ điều khiển PID kinh
điển tuy vẫn đảm bảo nhưng nói chung chất lượng vẫn còn chưa tốt lắm. Điều này
được thể hiện qua các chỉ tiêu chất lượng dưới đây:
- Khối lượng đến trạng thái ổn định. Thời gian quá độ: 6 giây.
- Dao động khi áp tải : có .
- Quá trình làm việc của hệ thống cân băng chưa bám theo lượng đặt một cách
nhanh chóng
Mặc dù chất lượng đảm bảo nhưng thực chất trong mạch có khâu phi tuyến nên
hướng giải quyết triệt để nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống điều
chỉnh khối lượng là thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi để thay thế bộ điều khiển PID
kinh điển.
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

18

ω
ω
1
ω
3
ω
2
ω
2
'
0
∆ϕ
1
∆ϕ
2
∆ϕ
3
∆ϕ
Κϕ
3
Κϕ
2
Κϕ
1
∆
ω
4.1. Tính phi tuyến của bộ điều khiển khối lượng.
Hình 4.1: Quan hệ giữa
ϕ
∆

và
ω
4.2.Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi
4.2.1. Định nghĩa
Hệ điều khiển mờ thích nghi là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ
sở của hệ mờ.
Như vậy ta thấy bộ điều khiển mờ thích nghi bao gồm hai phần:
- Điều khiển mờ
- Điều khiển thích nghi
4.2.2. Phân loại
Hệ điều khiển mờ thích nghi có thể phân thành 2 loại:
- Bộ điều khiển mờ tự chỉnh là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh định các tham số
của các tập mờ (các hàm liên thuộc).
- Bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu trúc là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh định lại
các luật điều khiển. Đối với lại này hệ thống có thể bắt đầu làm việc với một vài luật
điều khiển đã được chỉnh định trước hoặc chưa đủ các luật.
4.2.3. 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:

19
Hình 4.2: Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp.
Phương pháp trực tiếp thực hiện thông qua việc nhận dạng thường xuyên các
tham số của đối tượng. Quá trình nhận dạng thông số của đối tượng có thể thực hiện bằng
cách thường xuyên đo trạng thái của tín hiệu vào/ra của đối tượng và chọn 1 thuật toán
nhận dạng hợp lý, trên cơ sở mô hình đã biết trước hoặc mô hình mờ.
Hình 4.3: Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
Phương pháp gián tiếp thực hiện thông qua phiếm hàm mục tiêu của hệ kín xây
dựng trên các chỉ tiêu chất lượng.
4.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song.

4.3.1. Đặt vấn đề
Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ logic mờ (FLC –Fuzzy Logic Control) là
cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch. Sơ đồ như hình 4.4

20
Hình 4.4: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào.
Trong đó k
D
, λ là các hệ số khuếch đại đầu vào, K là hệ số khuếch đại đầu ra.
Thực tiễn cho thấy việc chỉnh định FLC khó khăn hơn nhiều so với chỉnh định bộ điều
khiển kinh điển, một trong những lý do chính là tính mềm dẻo của vùng nhận biết cơ
bản của bộ điều khiển mờ và sự móc nối các thông số của chúng. Tuy nhiên không có
một cách hệ thống hoá nào để đưa ra tất cả các thông số này.
4.3.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ.
Xét bộ điều khiển mờ hai đầu vào. Để xây dựng mô hình toán học của nó ta
thực hiện theo các bước sau:
*) Chọn các hàm liên thuộc
*) Chọn luật điều khiển
*) Phân tích luật cơ sở hình thành ô suy luận
*) Các thao tác mờ trong ô suy luận
4.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song
*) 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).

21
F
e
T

U
Hình 4.5: MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
Đối tượng
G
Cơ cấu
thích nghi
Mô hình
mẫu G
m
FL
C
K
-
y
u
c
y
m
-
ε
Hình 4.6: MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai lệch đầu
vào
4.4. Ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao năng suất cho hệ điều
khiển cân băng
Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để
xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo những thiết kế trên. Công cụ Toolbox
Fuzzy Logic cho phép người sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chóng, chính
xác và cho phép kết xuất kết quả ra vùng Workspace để tiến hành mô phỏng bằng
công cụ Simulink của Matlab.
Hình 4.7 : Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ thích nghi

22
e
T
u
Đối tượng
G
Cơ cấu
thích nghi
Mô hình
mẫu G
m
F
FLC
-
y
u
c
y
m
-
ε
T
K
I
∫
K
Hình 4.8 : Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ thích nghi
Hình 4.9 : Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ thích nghi
và quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ thích nghi

*) Sơ đồ mô phỏng với khâu tích phân mắc đầu vào bộ điều khiển mờ
Hình 4.10 : Sơ đồ mô phỏng với khâu tích phân mắc đầu vào bộ điều khiển mờ
Kết quả mô phỏng khối lượng với lượng đặt 10 :

23