1
LỜI NÓI ĐẦU
Tự động hoá đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất của
nền kinh tế hiện đại. Đặc biệt là công nghiệp và sản xuất điện năng. Hệ thống điều
chỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm
bảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động của con người.
Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, đặc biệt với việc
điều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộ
điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh
vực. Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì đã có
những nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suất
bình. Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện
chất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai.
Với những kiến thức của mình cùng sự tìm tòi nghiên cứu và hướng dẫn của
PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng
hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai”.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái
Nguyên. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS. Nguyễn Như
Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm
ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài
khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,
cô giáo để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau
này.
Học viên
Đào Hồng Cẩm Mơ
2
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò then
chốt trong quá trình sản điện năng. Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất của
nhà máy bằng cách lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh sao cho phù hợp, chế độ làm
việc tối ưu của thiết bị theo thông số đã quy định. Trong nhà máy nhiệt điện thì quá
trình nhiệt đóng một vai trò chủ yếu. Các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện rất
đa dạng và luôn thay đổi do ảnh hưởng của nhiên liệu, của chất lượng nước, chế độ
của không khí, đặc biệt là chế độ làm việc không ổn định của các thiết bị chịu nhiệt do
vận hành lâu dài. Do đó các thông số của công nghệ sẽ thay đổi trong một dải rộng,
làm suy giảm hiệu suất của các thiết bị trong nhà máy so với thiết kế ban đầu. Gây ra
sự cố dẫn đến hỏng hóc và phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt không thể thực
hiện được ở chế độ bình thường. Do đó vấn đề điều chỉnh các thông số của quá trình
nhiệt trong nhà máy là hết sức quan trọng.
Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, với nền tảng cơ
bản là thuật tóan điều khiển PID kinh điển, sau đó là các thuật tóan PID tự chỉnh, PID
logic mờ, thuật toán điều khiển tối ưu… Xong việc nghiên cứu tìm hiểu các thuật toán
điều khiển vẫn là đề tài nhiều người, nhiều ngành nghiên cứu và mang tính thời sự cao.
Điều này cho phép tìm hiểu cặn kẽ và chân thực bản chất của các thuật tóan ứng dụng
trong điều khiển. Tìm được ưu nhược điểm của nó để từ đó hạn chế được những mặt
yếu và phát huy những mặt mạnh nhằm nâng cao chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế và của bản thân là nâng cao hiểu biết về điều khiển ổn
định nhiệt độ phục vụ cho điều khiển nhiệt độ bộ phân sơn nhựa tại công ty Yamaha.
Đồng thời nhằm đóng góp thiết thực cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước nói chung và trong trong lĩnh vực điện tự động hóa nói riêng. Đặc biệt với việc
điều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộ
điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh
vực. Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong các nhà máy nhiệt điện thì đã có
những nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suất
bình. Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện
chất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai.
3
2. Mục tiêu của luận văn
Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển kinh
điển PID, qua khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra được các hạn chế của
phương pháp điều khiển này.
Để khắc phục các nhược điểm của bộ điều khiển kinh điển, dựa trên cơ sở logic mờ,
luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai. Bước
đầu tiến hành kiểm nghiệm bộ điều khiển mới bằng phần mềm mô phỏng trên Matlab -
Simulink.
3. Kết quả thực nghiệm của luận văn
Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò hơi bằng lý thuyết và kiểm nghiệm
bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc trước đây của một luận văn cao
học. Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao
học cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực. Đây là một yêu
cầu mới về nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường. Việc áp dụng sáng tạo các mô
hình thí nghiệm sẵn có của nhà trường vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạt
kết quả tốt. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt
độ của lò hơi của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so với
thực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ
điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống và làm nền tảng cho thiết kế nâng cao chất
lượng cho hệ thống.
4. Nội dung luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò hơi của nhà máy nhiệt điện
Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng nhiệt độ trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện bằng bộ
điều khiển mờ lai
Kết luận và kiến nghị
4
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÒ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. TỔNG QUAN 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
1.1.3. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
a. Sơ lược về lò hơi
b. Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
- 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.
Những sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt nếu không được điều chỉnh sẽ ảnh
hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế cũng như kĩ thuật của lò và nhà máy.
Việc giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt sẽ làm giảm hiệu suất chu trình nhiệt và ảnh
hưởng xấu đến điều kiện làm việc của tuabin do độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tăng
lên. Việc tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt quá trị số cho phép sẽ làm giảm điều kiện sức
bền của kim loại ống.
Nước Hơi
Sinh
công
Điện
năng
Hơi ngưng
tụ
Sơ đồ vòng tuần hoàn kín hơi nước trong nhà máy nhiệt điện
5
Vì vậy phải tìm các biện pháp duy trì nhiệt độ hơi quá nhiệt cố định ngay cả khi
các chế độ làm việc của lò thay đổi. Những biện pháp này gọi là biện pháp điều chỉnh
nhiệt độ hơi quá nhiệt. Thông thường nhiệt độ hơi quá nhiệt chỉ cho phép sai lệch
+10
0
C và -15
0
C.
Việc sử dụng bộ quá nhiệt cũng có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
Nếu tỉ lệ hấp thụ nhiệt hợp lí giữa các phần bức xạ và đối lưu thì trong nhiều trường
hợp khi chế độ làm việc của lò thay đổi thì nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng không thay
đổi. Với bộ quá nhiệt, khi tăng phụ tải, nhiệt lượng hấp thu trong phần đối lưu tăng
lên trong khi phần bức xạ hầu như không tăng do nhiệt độ cháy lí thuyết hầu như tăng
rất ít.
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.
6
1.2. NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ
NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.2.1. Đặt vấn đề
1.2.2. Bộ quá nhiệt và các thiết bị liên quan trong hệ thống
a. Mô tả chung
b. Giảm ôn ở nhà máy điện
.
Sơ đồ bố trí bộ quá nhiệt
7
c. Phân loại
d. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt
e. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt đô hơi quá nhiệt ở nhà máy
Để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt có 2 phương pháp
+ Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi
+ Điều khiển van nước phun giảm ôn
f. Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi
Thực tế thực hiện phương pháp này ta dùng các cơ cấu điều chỉnh thay đổi góc
đặt của vòi đốt, vì thế thay đổi được nhiệt hấp thụ trong lò hơi, nhiệt độ khói sẽ thay
đổi, sự trao đổi nhiệt giữa khói và hơi cũng thay đổi.
Với phương pháp điều khiển này thì mỗi cách điều khiển khác nhau thì có đặc
tính điều khiển nhiệt độ riêng. Quán tính của quá trình nhiệt là lớn, tác động của
phương pháp điều chỉnh khá chậm, hằng số thời gian cỡ vài phút. Để có thể tác động
nhanh hơn, người ta thường dùng tới phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi bằng
phương pháp điều khiển van phun nước giảm ôn.
g. Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt dùng phương pháp điều khiển van phun
nước giảm ôn
Nước dạng sương mù được phun trực tiếp vào hơi, các hạt nước được phun thành
bụi nhỏ hỗn hợp với hơi quá nhiệt và bốc thành hơi. Như vậy bằng cách phun nước
vào hơi cũng làm giảm nhiệt độ của hơi quá nhiệt.
8
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện,
luận văn đề xuất đi sâu nghiên cứu bình bao hơi là một thiết bị giữ một vai trò quan
trọng nhất của thiết bị lò hơi, quá trình làm việc của bao hơi rất phức tạp do ảnh hưởng
của sự thay đổi của phụ tải. Chế độ làm việc của bao hơi phải luôn luôn giữ ở chế độ
làm việc ổn định với trị số cho phép.
Trong bao hơi thì thông số về nhiệt độ là vô cùng quan trọng gắn liền với quá
trình thuỷ động trong lò hơi. Cần phải giữ nhiệt độ trong bình ở trị số cho phép để đảm
bảo quá trình làm việc được năng suất và hiệu quả nhất.
Do đó hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bình bao hơi được đặt ra với yêu
cầu rất cao và nghiêm ngặt. Nó đảm bảo sự làm việc ổn định của lò hơi giữ được quá
trình thuỷ động học trong lò hơi và làm tăng tuổi thọ của các thiết bị trao đổi nhiệt
trong lò hơi.
9
CHƯƠNG 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG
LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG
2.2. MÔ TẢ TÓAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.2.1. Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình
sau
a. Thiết bị đo
Hàm truyền đạt thiết bị đo nhiệt độ bình bao hơi là một khâu quán tính bậc nhất
sT
K
SW
d
d
+
=
1
)(
Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của thiết bị đo, được xác định như sau:
°
=
∆
∆
=
2
1
mm
C
H
T
K
MAX
MAX
T: thời gian trễ của thiết bị đo, thường lấy T = 0,01(s)
=>
s
SW
d
01.01
1
)(
+
=
Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
10
b. Thiết bị chấp hành
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
G s
T s
=
+
Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của van
T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 20 ms = 0,02s
Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 ÷ 80% thì nhiệt độ thay đổi từ 0 ÷ 40 . Từ
đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa nhiệt độ qua van và độ mở của van là:
5.0
580
40
≈
−
=
V
K
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:
s
G
V
21
50
+
=
c. Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là nhiệt độ bình bao hơi, thông qua việc tiến
hành thí nghiệm lấy đường đặc tính động của nhiệt độ với tác động điều chỉnh là lưu
lượng nước phun giảm ôn người ta đã thu được đặc tính quá độ của đối tượng. 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:
τ
−
=
+
.
( )
1
s
dt
DT
K e
G s
T s
Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền. K=0.08
τ
: hằng số thời gian trễ. Thường lấy
τ
= 15 (s)
T: Hằng số thời gian của đối tượng T=0.01
K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền. K=0.08
11
Khi đó hàm truyền của đối tượng là:
101.0
.08.0
)(
15
+
=
−
s
e
sG
s
đt
Khâu trễ e
-15s
có thể biến đổi gần đúng như sau:
15
1
1 15
s
e
s
−
=
+
2.2.2. Hàm truyền của hệ thống
Hệ thống điểu khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng 1 bộ điều khiển tỷ lệ - tích
phân và 1 bộ vi phân hoặc 1 bộ PID và 1 bộ vi phân. Ngoài ra trong sơ đồ điều khiển
còn sử dụng các khối tính toán để xử lý kết quả đo đạc từ các đầu đo gửi về. Tín hiệu
đo nhiệt độ hơi quá nhiệt được lấy từ 3 đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của tín
hiệu.
Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau:
Trong đó:
T
đ
: Giá trị đặt nhiệt độ.
T: Đáp ứng nhiệt độ đầu ra của hệ thống.
R(s)
: bộ điều chỉnh nhiệt độ.
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương 2 ta đã xây dựng được mô tả toán học cho đối tượng điều khiển.
Nhiệm vụ tiếp theo là phải tính toán thông số thực tế của thiết bị thí nghiệm để xác
định thông số của đối tượng đó là hệ số khuyếch đại và hằng số thời gian của quá trình
và cơ cấu chấp hành. Các công việc này, sẽ tiến hành ở chương sau nhằm chuẩn bị cần
thiết cho thiết kế cấu trúc điều khiển cho đối tượng.
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt.
T
đ
T
-
f
+
1
d
d
K
T s
τ
−
+
.
1
s
DT
K e
T s
+
1
V
V
K
T s
R(s)
12
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển bao gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu
vi phân (D). PID là một tập thể hoàn hảo gồm 3 tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỉ lệ P)
- Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (I)
- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi tình huống trong
quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân D).
3.1.1. Chọn luật điều khiển PID
- Vòng điều khiển nhiệt độ: Đặc tính động học của quá trình và của cảm biến
nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành. Đối với một số bài toán quá trình
còn có thể có đặc tính dao động hoặc thậm chí không ổn định. Phép đo nhiệt độ chậm
nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế, ta nên sử dụng luật PID để cải thiện
tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn.
3.1.2. Phương pháp tối ưu độ lớn
- Tổng hợp theo tối ưu độ lớn, ta sử dụng bộ điều khiển PID:
TPID
0.1
R ( s ) 15 60s
s
= + +
Bộ điều khiển theo quy luật PID
13
3.2. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG TRÊN
MATLAB-SIMULINK
3.2.1. Cấu trúc mô phỏng
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng điều khiển nhiệt như sau
Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt lò hơi
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi nhà máy
nhiệt điện
14
3.2.2. Các kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò hơi khi có nhiễu và không có nhiễu có
nhiễu
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi khi có nhiễu
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi khi không có
nhiễu
15
3.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THỆ THỐNG BẰNG THỰC NGHIỆM
3.3.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm
3.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm
Các kết quả thực nghiệm
Tiến hành thực nghiệm với mô hình điều khiển ổn định nhiệt độ bình chứa có đặc
tính gần giống như đặc tính của nhiệt độ hơi quá nhiệt tại phòng thí nghiệm trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp nhận thấy. Khi để giá trị đặt của nhiệt độ theo yêu cầu,
nhiệt độ của bình chứa tăng dần và sau một khoảng thời gian nhiệt độ sẽ bằng với
nhiệt độ yêu cầu. Tuy nhiên nhận thấy đặc tính còn chưa đạt, như thời gian quá độ lớn,
lượng quá điều chỉnh cao. Để cải thiện đặc tính ta sử dụng bộ điều khiển tham số PID,
bằng cách thay đổi các thông số PID một cách phù hợp ta sẽ lấy được đường đặc tính
tốt nhất theo yêu cầu điều khiển ổn định nhiệt độ.
3.3.3. So sánh với kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng về điều khiển mức như trên hình 3.3.2 và kết quả thực
nghiệm như trên hình 3.1.2 có những sai lệch với nhau về lượng quá điều chỉnh, sai
lệch tĩnh và thời gian quá độ. Thông qua thực nghiệm trên mô hình điều khiển mức
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 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.
Kết quả thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi
16
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 3 của luận văn đã thiết kế được bộ điều khiển PID để điều khiển đối
tượng là nhiệt độ bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện. Bộ điều khiển đã đáp ứng được
yêu cầu đặt ra và đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phầm mềm Matlab-
Simulink trên mô hình thực nghiệm thiết bị lò hơi của trường Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên. Đây là một nội dung rất quan trọng so sánh kết quả giữa mô hình
mô phỏng và thí nghiệm thực tế của luận văn đã chứng tỏ mối liên hệ giữa lý thuyết và
thực tế.
17
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÒ HƠI
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
4.1. CẤU TRÚC MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Cấu trúc một bộ điều khiển mờ cơ bản thể hiện trên hình gồm 4 khối: Khối mờ
hoá, khối luật mờ, khối hợp thành và khối giải mờ.
4.1.1. Mờ hoá
4.1.2. Giải mờ
4.1.3. Khối luật mờ và khối hợp thành
4.2. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
4.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh
Là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào-ra y(x) liên hệ nhau theo một phương trình
đại số (phi tuyến). Các bộ điều khiển mờ tĩnh điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều
khiển Relay hai vị trí, ba vị trí,…
Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ
tuyến tính từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi
khác nhau của quá trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển.
Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược
điểm là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (vận
tốc, gia tốc…) của quá trình, do đó nó chỉ được sử dụng trong các trường hợp đơn
giản.
4.2.2. Bộ điều khiển mờ động
y
B’
µ
x
Khối luật mờ
Mờ hoá-
fuzzyfier
Khối hợp thành
Giải mờ -
defuzzyfier
Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản
18
Là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng.
Ví dụ với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu
sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản
ứng kịp thời với các biến động đột xuất của đối tượng.
4.2.3. Điều khiển mờ lai
Bộ điều khiển mà trong quá trình làm việc tự điều chỉnh thông số của nó cho
phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi. Một hệ
thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay không sự tham gia của hệ mờ, là hệ thống
phát triển cao và có tiềm năng đặc biệt, song gắn liền với những ưu điểm đó là khối
lượng tính toán thiết kế rất lớn.
Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy: không phải là cứ thay một bộ điều
khiển mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển thì sẽ có một hệ thống tốt hơn. Trong nhiều
trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị
điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết
bị điều khiển bao gồm hai thành phần:
- Thành phần điều khiển kinh điển.
- Thành phần điều khiển mờ.
19
Các dạng hệ mờ lai phổ biến
a, Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển
Tín hiệu chủ đạo đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ. Tín hiệu
vào x được so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của
nó được đưa vào đầu vào bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh ∆x, tín hiệu chủ đạo
đã được lọc có giá trị x + ∆x. Tác dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thống là làm
cho hệ thống có đặc tính động tốt hơn và nâng cao khả năng bền vững của hệ khi các
thông số trong hệ biến đổi.
b, Hệ mờ lai Cascade
Một cấu trúc mờ lai khác được biểu diễn trong hình sau, ở đó phần bù tín hiệu
điều chỉnh ∆u được lấy từ bộ điều khiển mờ.
Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ
Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x
Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
20
Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc như trên thì việc chọn các đại lượng đầu
vào của hệ mờ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Tất nhiên các đại lượng thường
được sử dụng làm tín hiệu vào của hệ mờ là tín hiệu chủ đạo x, sai lệch E, tín hiệu ra y
cùng với đạo hàm hoặc tích phân của các đại lượng này. Về nguyên tắc có thể sử dụng
các đại lượng khác của đối tượng cũng như sử dụng các nhiễu xác định được.
Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ
Điều khiển theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số và cấu trúc phù
hợp với điểm làm việc của đối tượng đòi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất cả
các khâu có cấu trúc và tham số khác nhau cho từng trường hợp. Hệ thống sẽ tự chọn
khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng. Điều khiển công tắc chuyển đổi vị
trí để chọn khâu điều khiển phù hợp được thực hiện bằng khóa mờ.
Thông thường thì các khâu điều khiển được dùng trong trường hợp này là các
khâu có cấu trúc như nhau nhưng tham số khác nhau. Khác với việc chỉnh định thông
số thích nghi trong các hệ tự chỉnh, các thông số ở đây được chỉnh định cứng qua công
tắc chuyển đổi. Ưu điểm chính của hệ thống này là các bộ điều khiển làm việc độc lập
với nhau, do vậy có thể kiểm tra tính ổn định của hệ ứng với từng trường hợp riêng
biệt. Các đại lượng vào của hệ mờ được xác định theo từng ứng dụng cụ thể.
4.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
4.3.1. Đặt vấn đề
Để áp dụng phương pháp điều khiển mờ lai cho hệ điều khiển áp nhiệt độ bao
hơi nhà máy nhiệt điện, tác giả sử dụng mô hình mờ lai Cascade.
Việc thiết kế bộ điều khiển mờ lai thực hiện bằng việc thiết kế các khâu trong
bộ điều khiển mờ sau đó kết hợp với bộ điều khiển PID.
Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ
21
4.3.2. Mờ hoá
Ta thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm một biến trạng thái mờ đầu vào và một
biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con).
Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao cho khả
năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều khiển mờ.
4.3.3. Sơ đồ mô phỏng
Bộ điều khiển mờ lai có cấu trúc như sau
Sự phân bố các hàm liên thuộc của đầu vào
Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai
22
4.3.4. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng đáp ứng nhiệt độ bằng bộ điều khiển mờ laic ho kết quả như
sau:
Với đường màu đỏ là lượng đặt, yêu cầu ổn đinh nhiệt độ đặt ra.
Đường màu xanh dương là đáp ứng sử dụng bộ điều khiển mờ
Đường màu xanh lá là đáp ứng sử dụng bộ điều khiern PID
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Kết quả mô phỏng khi sử dụng hai bộ điều khiển là PID và mờ, ta nhận thấy:
Bộ điều khiển mờ cho chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên, do điều kiện còn hạn chế
về thiết bị thí nghiệm, cho nên chưa thể tiến hành thực nghiệm, để có kết luận chính
xác so sánh chất lượng các bộ điều khiển đã thực hiện trong chương ba với nhau.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
t(s)
T (oC)
Dap ung nhiet do
Td
TMo
TPID
Đặc tính điều khiển nhiệt độ
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Với đối tượng là bình bao hơi nhà máy nhiệt điện, có ba thông số cơ bản cần
được điều chỉnh thường xuyên xung quanh giá trị yêu cầu. Đó là mức nước, nhiệt độ
hơi và áp suất hơi và lò hơi thực sự là một đối tượng đa biến rất phức tạp. Do đó, trong
thời gian có hạn, luận văn này bước đầu nghiên cứu điều khiển nhiệt độ cho bình bao
hơi nhà máy nhiệt điện, đây là thông số rất quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến sự làm
việc ổn định và hiệu suất của nhà máy. Bằng phương pháp kiểm nghiệm lại hoạt động
của bộ điều khiển PID sẵn có thông qua mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả tốt.
Trên cơ sở này, luận văn đã tiến hành nâng cao chất lượng cho hệ bằng bộ điều khiển
mờ lai. Đây là bộ điều khiển thông minh ứng dụng logic mờ để thiết kế ra bộ điều
khiển và bước đầu được kiểm nghiệm bằng mô phỏng.
Nội dung luận văn đã đáp ứng được đầy đủ các mục tiêu đề ra.
2. KIẾN NGHỊ
Các nghiên cứu và tính toán lý thuyết trước đây của luận văn thường được kiểm
chứng bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo. Ngày nay, trước yêu cầu nâng cao chất
lượng đào tạo, luận văn đã tiến hành thí nghiệm đánh giá kết quả trong miền thời gian
thực. Do sự đa dạng của các đề tài, cho nên yêu cầu thiết bị của nhà trường đáp ứng
đầy đủ là rất khó khăn. Mặt khác, thời gian làm luận văn có hạn nên nếu phải mua sắm
thiết bị để xây dựng hệ thống và bộ điều khiển mà chỉ dùng cho một luận văn thì đầu
tư rất lớn vượt quá khả năng của học viên. Như vậy, sự hỗ trợ và tạo điều kiện tối đa
về thiết bị của Nhà trường là hết sức to lớn.
Mặc dù chưa có thí nghiệm cho bộ điều khiển mờ chỉnh định PID, 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.
