1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao chất lượng cho
quá trình điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao hơi.
Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng kết quả thiết kế ( với đối tượng điều khiển
là mô hình lò hơi Nhà máy nhiệt điện của trung tâm thí nghiệm Trường ĐHKTCN
Thái Nguyên)
- Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển mới: Bộ điều khiển
mờ thích nghi
3. Nội dung của luận văn
Chương 1: Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 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 mức nước cấp bình bao hơi
bằng bộ điều khiển mờ thích nghi.
Kết luận và kiến nghị
2
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC 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
Hiện nay có hai loại hình nhà máy nhiệt điện cơ bản là:
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi;
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
Các nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên lí chuyển hóa nhiệt năng từ đốt
cháy các nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tua bin rồi sau đó biến thành điện
năng;
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. Các loại lò hơi chính
- Lò có bao hơi:
- Lò trực lưu:
Việc thu được hơi nước của hai loại lò trên đều hình thành từ 3 quá trình vật lý
là: đun nước nóng tới nhiệt độ sôi (biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt
Hình 1.1: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
3
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi
năng), nước sôi (hoá hơi hoàn toàn: nước để chuyển từ pha lỏng thành hơi bão hoà
khô) và quá nhiệt đến nhiệt độ đã cho (biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và biến đổi
cơ năng thành điện năng). Tuỳ theo quá trình sinh hơi xảy ra ở áp suất nào mà nhiệt
độ sôi t
S
, nhiệt lượng đun nóng nước tới nhiệt độ sôi i’, nhiệt lượng sinh hơi r và nhiệt
hàm của hơi bão hoà khô i” sẽ thay đổi tương ứng,
1.2.3. Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.3.1. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt
Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một trong số những chỉ tiêu cơ bản của lò hơi. Trong quá
trình làm việc của lò nó không được giữ cố định mà luôn luôn thay đổi. Nguyên nhân
gây nên sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt là do chế độ làm việc của lò hơi thay
đổi.
Có hai phương pháp chủ yếu dùng để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là điều
chỉnh bằng hơi và điều chỉnh bằng khói.
1.2.3.2. Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy
Nhiệm vụ của việc điều chỉnh quá trình cháy là:
4
- Đảm bảo thông số hơi ổn định, đặc biệt là áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi
sinh ra và lượng hơi tiêu thụ cân bằng nhau.
- Đảm bảo quá trình cháy tốt nhất, nghĩa là điều chỉnh lượng gió cấp đảm bảo hệ
số không khí thừa kinh tế phù hợp với từng loại nhiên liệu.
- Đảm bảo chế độ thông gió cân bằng, đảm bảo áp suất phù hợp trên đường ống
dẫn gió và dẫn khói.
Các phương pháp điều chỉnh quá trình cháy gồm: điều chỉnh độ kinh tế quá trình
cháy và điều chỉnh áp suất chân không buồng đốt.
1.2.3.3. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi
Việc điều chỉnh sản lượng hơi là điều chỉnh lượng nhiên liệu và không khí để có
quá trình cháy tốt nhất đồng thời cung cấp lưu lượng hơi phù hợp với hộ sử dụng.
Cho nên hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi thường phối hợp với hệ thống điều chỉnh
quá trình cháy để đảm bảo sản lượng hơi yêu cầu với thông số hơi ổn định đặc biệt là
áp suất hơi.
1.2.3.4. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi
Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu quan trọng của
hệ thống điều chỉnh lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo tương quan giữa
lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Khi tương quan này bị phá vỡ thì
mức nước trong bao hơi sẽ không cố định. Mức nước thay đổi sẽ dẫn tới sự cố ở
tuabin hay lò hơi. Nếu mức nước bao hơi lớn quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng
suất bốc hơi của bao hơi, giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt ảnh hưởng đến sự vận hành của
tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ hơi
quá nhiệt, có thể gây nổ hệ thống ống sinh hơi.
Các phương pháp điều chỉnh mức nước bao hơi: việc điều khiển mức nước bao
hơi có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhay tùy theo loại lò. Thông thường sử
dụng ba sơ đồ là sơ đồ một tín hiệu, hai tín hiệu và ba tín hiệu.
5
1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi trong nhà máy nhiệt
điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Trong quá trình vận hành lò hơi, mức nước bao hơi luôn thay đổi và dao động lớn,
việc điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu trọng yếu của các hệ
thống điều chỉnh tự động lò hơi. Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh là ổn định mức nước
bao hơi thông qua việc đảm bảo tương quan giữa lượng hơi sinh ra và lượng nước cấp
đưa vào bao hơi.
1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mô tả toán học cho hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi.
- Thiết kế điều khiển mờ thích nghi để điều khiển hệ thống.
1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được
- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống.
- Cấu trúc mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink.
- Tiến hành thực nghiệm lấy kết quả so sánh với lý thuyết.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Xuất phát từ thực tế, trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà
máy nhiệt điện, luận văn đề suất đi sâu nghiên cứu một đối tượng điều khiển mức
nước cấp trong bình bao hơi, nghiên cứu cải tiến nâng cao chất lượng hệ thống ổn
định mức nước cấp bình bao hơi nhằm góp phần nâng cao chất lượng của hệ thống.
6
Chƣơng 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
Trong các bước thực hiện nhiệm vụ phát triển, mô hình toán học giúp các cán bộ
công nghệ cũng như cán bộ điều khiển cho các mục đích sau đây:
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.
- Chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp
bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện
Van điều khiển
CV02
Bình chứa
nước
Bao hơi
Bình nước
cấp bao hơi
Điện trở
nhiệt
Bơm
nước
B02
Hình 2.1: Đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
7
Hình 2.2: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
Hình 2.1 là cấu trúc phần lực đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
trong mô hình nhà máy nhiệt điện tại TTTN - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
2.2.2. 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. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.3.1. Thiết bị đo
a. Cấu trúc cơ bản:
b. Đặc tính động
Thiết bị này có hàm truyền đạt là một khâu quán tính bậc nhất.
()
1
H
K
Ws
Ts
2.2.3.2. Thiết bị chấp hành
Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
8
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:
()
1
V
V
v
K
Gs
Ts
2.2.3.3. Bình bao hơi
Hệ thống cấp nước có 3 phần chính: hệ
thống bơm nước; hệ thống van, ống dẫn, vòi
phun và hệ thống hâm nước. Hệ thống thực
hiện nhiệm vụ cung cấp nước vào bao hơi đảm
bảo quá trình tạo lượng hơi nước theo yêu cầu.
Hơi nước sau khi phun vào tuabin được ngưng
tụ thành nước tại bình ngưng và được đưa trở
lại hệ thống cấp nước cho bao hơi. Nước cấp
cho bao hơi đã được xử lý hoá học để đảm bảo
chất lượng nước cấp, sau đó nước được hâm nóng tới gần nhiệt độ sôi rồi bơm vào
bao hơi. Hệ thống các ống dẫn, vòi phun nối liền các hệ thống cấp nước, hệ thống
hâm nước, van và bơm với bao hơi.
* Lập phương trình quá trình quá độ mức nước trong bao hơi:
( ' '')
cr
DD
dH
dF
Bao hơi xét theo quan điểm điều chỉnh mức nước là đối tượng không có tính tự
cân bằng, có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt của nó bằng được mô tả gần đúng
như sau:
.
()
s
dt
Ke
Ws
s
Các thông số của đối tượng hoàn toàn có thể xác định được từ hàm quá độ bằng
phương pháp thuần túy đồ thị hoặc giải tích.
Hình 2.8: Bao hơi nhà máy nhiệt điện
9
Hình 2.10: Đặc tính động của mức
nước bao hơi theo lưu lượng nước
cấp
Hình 2.11: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu
* Tính hàm truyền đạt của mức nước bao hơi
Hàm truyền đạt của các đối tượng không có tính tự cân bằng
được mô tả dưới dạng gần đúng là một khâu tích phân có trễ
sau:
.
()
s
dt
Ke
Gs
s
2.3. Hàm truyền của hệ thống
Ta có sơ đồ khối như sau:
Dựa vào số liệu thực tế, chọn được thông số của hàm truyền của hệ hở như sau:
H
50 0.0 8
G (s )
(0.0 2s 1) s ( 2 0s 1)
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 hành. Đây là, sự chuẩn bị cần thiết cho thiết kế cấu trúc điều khiển
cho đối tượng ở các chương sau.
10
Chƣơng 3
KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Đặt vấn đề
Trong chương này, ta đi thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển mức nước
cấp bình bao hơi bằng bộ điều khiển PID kinh điển
3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols
Bộ điều khiển PID được xác định với hàm truyền:
sT
sT
1
1KsW
D
I
P
(3.2)
3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
Phương pháp này gần giống với phương pháp Ziegler – Nichols1 song nó sử
dụng trực tiếp hàm h(t) mà không xem nó gần đúng với khâu quán tính có trễ và thêm
giả thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s và
3
T
T
a
b
Hàm truyền dạng :
n
dt
dt
Ts1
K
sW
với n 2 (3.3)
3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có độ quá điều chỉnh, ổn
định và động học hình chữ s (đối tượng 3.1). Với:
n
1j
m
1i
'
itj
0TTTT
(3.4)
3
T
T
a
b
t
h(t)
K
d
t
T
b
T
a
A
0
Hình 3.3 Đồ thị quá độ
11
Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp cho đối tượng:
n
dt
dt
Ts1
K
)s(W
+ Nếu sử dụng PI :
2
T
T;
K2
1
K
I
dt
p
+ Nếu sử dụng PID:
T167,0T;
3
T2
T;
K
1
K
DI
dt
p
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
3.2.2.1. 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:
1
sW.sW1
sW.sW
sW
dtdk
dtdk
k
hay
1jW
k
(3.6)
3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul dùng cho đối tượng hữu sai tĩnh:
Phương pháp này được áp dụng tùy quá trình chung cho các đối tượng (3.1)
+ Xét đối tượng có hàm truyền tác động T
rất nhỏ
sT1
K
sW
dt
dt
với
0T
(3.7)
Hàm truyền hệ hở có dạng:
0
h0
W ; .
1
P dt
K
s K K K
s T s
+ Trường hợp bù hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:
Xét đối tượng có :
sT1sT1
K
W
1
dt
dt
; T
1
> T (3.9)
Chọn luật điều khiển sao cho:
)sT1(sT
K
)s(W).s(W)s(W
I
0
dtdkh
suy ra chọn
luật PI:
sT
sT1
KsW
I
I
Pdk
và chọn T
I
= T
1
K
P
=
TK2
T
dt
I
W
đk
(s)
y(t)
u(t)
(-)
W
đt
(s)
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển
12
+ Trường hợp bù 2 hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:
Xét đối tượng có :
sT1sT1sT1
K
W
21
dt
dt
; T
1
, T
2
> T ; T
1
~ T
2
(3.10)
Chọn luật điều khiển sao cho:
)sT1(sT
K
)s(W).s(W)s(W
I
0
dtdkh
suy ra:
sT
sT1sT1K
sT
1sTTsTK
sT
sT
1
1KsW
I
BAP
I
2
DIIP
D
I
Pdk
3.2.2.3. Phương pháp tối
ưu đối xứng
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng vô sai tĩnh
+ Đối tượng :
sT1Ts
K
sW
dt
dt
(3.11)
+ Đối tượng :
sT1sT1Ts
K
sW
1
dt
dt
Chọn luật điều khiển PID có:
sT
sT1sT1K
sW
I
BAP
dk
3.3. Thiết kế điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi
Đây là đối tượng tích phân – quán tính bậc hai.
4 * 0 .0 16
S ( s )
s( 1 20 s )( 1 0.02 s )
(3.13)
Ta sử dụng bộ điều khiển PID:
p A B
pD
II
k ( 1 T s )( 1 T s )
1
R ( s ) k ( 1 T s )
T s T s
(3.14)
(+)
(-)
L
đd
dd
đ
L
Q
h
PID
(-)
0 .0 8
s( 2 0 s 1 )
0.0 1 6
0.0 0 5 s 1
50
0.0 2 s 1
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp bình
bao hơi nhà máy nhiệt điện
13
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
t(s)
L ( % )
Ld
Lthuc
Vì hệ hở cũng sẽ có hàm truyền đạt dạng:
p B p B
B
h
22
I 2 I 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 )
B
p
2
B2
k ( 1 T s )
k (3.1 6 )
T s ( 1 T s )
Thông số tối ưu đối xứng của bộ điều khiển PID:
L PID
2
R ( s ) 95 250 s
s
(3.17)
3.4. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink
3.4.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink
3.4.2. Các kết quả mô phỏng
- Trường hợp mô phỏng với mức nước 90%
Hình 3.7: Đáp ứng của hệ thống với mức nước 90%
Hình 3.6: Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi
14
Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
Hình 3.10: Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi
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 binh bao hoi
Ld
Lthuc
- Trường hợp mô phỏng với mức nước thay đổi từ 80% lên 90% (xét có nhiễu tác
động tại t = 270s)
3.5. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng thực nghiệm
3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:
Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi
Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 80% lên 90%
(có nhiễu tác động tại 270s)
15
3.5.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm:
3.5.3. 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 cấp bao hơi 80%
Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi
Hình 3.14: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp từ 80% xuống 60%
16
3.5.4. 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.
3.6. Kết luận chƣơng 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
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.
17
Chƣơng 4
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP
BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
4.1.1. Hệ Logic mờ
4.1.1.1 Khái niệm về tập mờ
4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp
thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hình 4.2).
4.1.2. Bộ điều khiển mờ
4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động
4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi
Bộ điều khiển mờ thích nghi có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản:
+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp được tổng
quát trên sơ đồ hình 4.11.
+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp được tổng
quát trên sơ đồ hình 4.12
.
Khối mờ
hoá
Khối hợp
thành
Khối giải
mờ
Khối luật mờ
Hình 4.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Bộ chỉnh định mờ
Đối tƣợng
y
x
-
Hình 4.11: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp
Bộ điều khiển
Nhận dạng tham
số
18
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu
4.2.1. Đặt vấn đề
Trong điều khiển kinh điển, ta đã biết một Algorithm điều khiển thích nghi theo
mô hình mẫu sử dụng phương pháp Gradient hay phương pháp Lyapunov rất thích
hợp cho việc điều khiển một quá trình không nhận biết được, đặc biệt là đối với hệ
phi tuyến. Một bộ điều khiển mờ với luật hợp thành tuyến tính và các hàm liên thuộc
tam giác có thể xấp xỉ tuyến tính xung quanh trạng thái cân bằng. Do đó ta sử dụng ý
tưởng đó của bộ điều khiển thích nghi kinh điển để áp dụng cho hệ điều khiển mờ,
thích nghi với một vài sự xấp xỉ nào đó.
Cấu trúc của các bộ điều khiển mờ thích nghi dựa trên cơ sở lý thuyết Lyapunov
và phương pháp Gradient kinh điển.
4.2.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng
4.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh
điển
Trong điều khiển thích nghi kinh điển nói chung không cần một mô hình mẫu
hoàn hảo. Tuy nhiên sự sai khác giữa mô hình mẫu và đối tượng cũng như tính phi
tuyến của nó chỉ nằm trong giới hạn nào đó, nếu quá giới hạn này bộ điều chỉnh sẽ
không làm việc hiệu quả nữa. Để khắc phục nhược điểm đó, đề tài này sử dụng hệ
điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu.
Bộ chỉnh định mờ
Đối tƣợng
y
x
-
Hình 4.12: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
Bộ điều khiển
Nhận dạng tham
số
19
4.2.3.2. Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng
Thích nghi mờ theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng (FMRAFC – Feedforward
Model Reference Adaptive Fuzzy Controller), được biểu diễn trên hình 4.20.
4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ thích nghi
Sơ đồ mô phỏng so sánh bộ điều mờ thích nghi và PID
Hình 4.21: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp mờ thích nghi kiểu truyền thẳng
Hình 4.22: Sơ đồ mô phỏng theo pp mờ thích nghi kiểu truyền thẳng và pp PID
Hình 4.20: FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
FLC
-
T
u
c
Cơ cấu
thích nghi
F
Đối tƣợng
G
Mô hình
mẫu G
m
K
y
m
y
20
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t(s)
L(%)
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
4.3.2. Kết quả mô phỏng
4.3.3. Đánh giá kết quả
Từ kết quả ở các hình 4.23; hình 4.24 và hình 4.25 cho thấy với bộ điều khiển
mờ thích nghi chất lượng điều khiển đã được cải thiện một cách đáng kể như thời
gian xác lập và độ quá điều chỉnh (kể cả khi có nhiễu tác động). Hơn nữa khi tham số
của đối tượng thay đổi thì bộ điều mờ thích nghi vẫn duy trì được chất lượng còn bộ
điều khiển PID có độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập tăng.
Hình 4.23: Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi
kiểu truyền thẳng có nhảy cấp từ 80% lên 90%
Hình 4.24: Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu
truyền thẳng và PID (có nhiễu tác động tại 200s)
Hình 4.25: Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu
truyền thẳng và PID khi tham số của đối tượng thay đổi
21
4.4. Kết luận chương 4
Chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.
- Thiết kế đượcbộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng
để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng.
- Mô phỏng để khảo sát chất lượng hệ thống bằng Matlab/ Simulik
- Chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ thích
nghi theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng so với bộ điều khiển PID đã được cải thiện
đáng kể.
22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng các phương
pháp điều khiển để điều khiển áp suất bao hơi. Nhiệm vụ cụ thể là: Nâng cao chất
lƣợng hệ thống điều khiển ổn định mức nƣớc cấp bằng bộ điều khiển mờ thích
nghi
- Thiết kế được bộ điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện bằng
bộ điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng
và thực nghiệm. Với kết quả này cho thấy tính đúng đắn của thuật toán điều khiển
trên phương diện mô phỏng và thực nghiệm.
- Đề xuất thiết kế được bộ điều khiển mới đó là: Bộ điều khiển mờ thích nghi theo
mô hình mẫu kiểu truyền thẳng. Với kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điều
khiển tốt hơn so với bộ điều khiển PID (kể cả tham số của đối tượng bị thay đổi trong
một giới hạn cho phép).
2. Kiến nghị:
Với thời gian nghiên cứu còn ít, kiến thức và kinh nghiệm về thực tiễn có hạn,
cho nên nội dung luận văn còn một số hạn chế. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn
thiện để có thể áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này,
nhất là áp dụng các bộ điều khiển hiện đại vào các đối tượng trong thực tế sản xuất.
23
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện
đốt than, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2013.
[2]. Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than,
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2010.
[3]. Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở
logic mờ và thích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[4]. Nguyễn Doãn Phước: “Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến”. NXB Bách Khoa,
2012.
[5]. Nguyễn Doãn Phước: “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”. NXB Khoa học & Kỹ
thuật, 2007.
[6]. Phước, N. D; Minh.X.P, Lý thuyết điều khiển mờ; NXB Khoa học & Kỹ thuật;
2006.
[7]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001
[8]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Điều
chỉnh tự động truyền động điện”. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[9]. Nguyễn Phùng Quang: “Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.
[10]. Nguyễn Mạnh Tùng, Nguyễn Như Hiển,: “Điều khiển logic và PLC”. NXB
KH&KT, 20071.
[11]. B.G.Liptak (chủ biên); Process Control. 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996.
[13] Li-Xin Wang (1992), “Fuzzy systems as nonlinear dynamic system indentifiers.
Part 1: Stability Analysis and Simulations”, Proceedinge of the 31 st Conference on
decision and control Tucson, Arizos, December 1992. pp. 3418-3422.
