Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN QUANG AN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY
TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:62.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017


Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Tự động hóa, Khoa Cơ - Điện,
Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chí Tình
TS. Trịnh Thế Dũng

Phản biện 1: TS. Phan Minh Tạo
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh
Phản biện 3: TS. Nguyễn Trung Khương

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại
Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi…..giờ… ngày… tháng… năm…..

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội

hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, hiện nay tình hình cháy
nổ đang điễn ra hết sức phức tạp và gây ra những thiệt hại nặng nề về
người và tài sản. Một trong những nguyên nhân gây thương vong cho
con người là do khói gây ra.
Để kiểm soát khói sinh ra trong các đám cháy, ngăn ngừa tác hại
của nó với con người, trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật điều khiển
khói (smoke control).
Các tòa nhà cao tầng ở nước ta cũng đã áp dụng các hệ thống
kiểm soát khói, nhưng phần lớn ở mức độ đơn giản và chưa được
quan tâm đúng mức.
Ở nước ta hiện chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu
về các hệ thống điều khiển khói và hiệu quả hoạt động của nó.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói
khi xảy ra cháy trong các tòa nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội. Trong
đó phải xây dựng được mô hình của đối tượng điều khiển và đưa ra
giải pháp giám sát và điều khiển để nâng cao hiệu quả hoạt động cho
hệ thống điều khiển khói.
b) Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong các hệ thống
điều khiển kiểm soát khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà
Nội.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: xác định mô hình mẫu của đối tượng, sử
dụng mô hình mẫu trong điều khiển thích nghi để đảm bảo sự hoạt


2
động của hệ thống với điều kiện môi trường thay đổi phức tạp và
có thể áp dụng cho nhiều tòa nhà cao tầng khác nhau ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn: đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn trong
thiết kế và thi công các hệ thống kiểm soát khói của các tòa nhà cao
tầng.
4. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án
Qua phân tích các quá trình động lực học của khói và ảnh hưởng
của các yếu tố.
Nghiên cứu đặc tính động học của đối tượng. Qua đó nhận dạng
hệ thống, xây dựng mô hình toán học để thiết kế và khảo sát chất
lượng của hệ thống điều khiển.
Đề xuất các thuật toán điều khiển để cải thiện chất lượng và hiệu
quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói. Sử dụng phương pháp
điều khiển thích nghi để hệ thống thích nghi được với sự thay đổi của
môi trường và có thể áp dụng cho các tòa nhà khác nhau.
5. Kết cấu luận án
Kết cầu luận án gồm 3 chương.
Chương I. Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên
thế giới và Việt Nam.
Chương II. Mô hình hóa, mô phỏng quá trình động lực học
của hệ thống điều khiển khói.
Chương III. Các giải pháp giám sát và điều khiển tự động
cho hệ thống điều khiển khói.

3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN KHÓI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1. Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và
chữa cháy trong tòa nhà cao tầng
Để đảm bảo cho công tác phòng cháy trong tòa nhà cao tầng cần
có các hệ thống kỹ thuật sau:
- Hệ thống báo cháy tự động
- Hệ thống chữa cháy
- Hệ thống điều khiển khói
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển
khói
1.2.1.Tình hình nghiên cứu về điều khiển khói
Các nghiên cứu được thực hiện bằng các phương pháp mô hình
hóa và thực nghiệm, trong đó phương pháp mô hình hóa được áp
dụng nhiều nhất.
Các nghiên cứu chủ yếu là khảo sát các diễn biến dịch chuyển
của khói và hoạt động điều khiển khói cho từng công trình cụ thể. Ở
Việt Nam đến nay chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu
về hệ thống điều khiển khói
1.2.2. Các hệ thống điều khiển khói trên thế giới
Các biện pháp để ngăn chặn, kiểm soát khói đang được nghiên
cứu và áp dụng cả trong và ngoài nước bao gồm:
- Sử dụng hệ thống thông gió, hút khói
- Sử dụng hệ thống điều áp để tăng áp suất ở những khu vực cần
ngăn chặn khói.
1.2.3. Thực trạng về ứng dụng điều khiển khói ở Việt Nam
Hệ thống điều khiển khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà
Nội thường có các thành phần:

4
- Hệ thống điều áp cầu thang.
- Hệ thống hút khói tầng hầm.
- Hệ thống hút khói hành lang.
Trong hệ thống điều khiển thường không có trạm điều khiển khói
chuyên dùng (FSCS) mà được điều khiển bởi hệ thống báo cháy tự
động.
Việc thiết kế hệ thống điều khiển khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn
khác nhau. Theo các tiêu chuẩn của Việt Nam thì chỉ qui định các
tòa nhà cao tầng phải có hệ thống điều áp cầu thang, hệ thống hút
khói hành lang và hệ thống thông gió, hút khói tầng hầm. Hệ thống
tạo áp cầu thang chỉ qui định áp suất dư không dưới 2 kG/m2.
1.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển khói
Hệ thống điều khiển khói được cấu tạo gồm các thành phần sau :
- Các thiết bị thông gió, hút khói (quạt, van gió, ống gió...)
- Các thiết bị điều khiển (Tủ báo cháy, tủ điều khiển khói, tủ điều
khiển HVAC)
- Các thiết bị kích hoạt (đầu dò khói, nút ấn khẩn cấp...)
1.4. Phương pháp điều khiển
1.4.1. Thiết bị điều khiển
Hệ thống điều khiển khói có đặc điểm là làm việc ở điều kiện
nhiệt độ cao, môi trường ô nhiễm, nguồn điện có thể thay đổi đột
ngột, chế độ làm việc phải linh hoạt.
Để đáp ứng yêu cầu khắt khe của hệ thống điều khiển khói, hiện
nay phần lớn các tiêu chuẩn đều yêu cầu sử dụng trạm điều khiển
khói chuyên dùng (FSCS)
1.4.2. Cách thức kích hoạt hệ thống điều khiển khói
Có 3 cách để kích hoạt hệ thống điều khiển khói:
- Kích hoạt tự động

5
- Kích hoạt bằng tay
- Kích hoạt bằng FSCS
1.4.3. Quyền ưu tiên điều khiển
Tín hiệu điều khiển được ưu tiên hàng đầu là tín hiệu từ FSCS.
Tiếp đó là điều khiển từ các nút ấn bằng tay ở các khu vực, cuối cùng
là điều khiển từ các cảm biến.
1.4.4. Kết nối giữa hệ thống điều khiển khói với hệ thống báo
cháy tự động
Việc kết nối giữa FACP với FSCS có thể thực hiện theo hai cách:
- Kết nối Point to Point.
- Kết nối qua cổng truyền thông nối tiếp.
1.4.5. Giao tiếp với các hệ thống khác trong tòa nhà
Trong một tòa nhà cao tầng hiện nay có thể tồn tại nhiều mạng
thông tin như mạng thông tin quản lý tòa nhà, mạng Internet. Hệ
thống điều khiển khói tiên tiến cũng có khả năng kết nối với các
mạng thông tin khác để chia sẻ thông tin và giám sát từ xa.
1.5. Sự dịch chuyển của khói
Khi xảy ra cháy, khói được tạo ra và dịch chuyển do tác động của
sự chênh áp mà cụ thể là do các yếu tố sau:
- Hiệu ứng ống khói
- Quá trình tự bay lên của khói
- Sự giãn nở vì nhiệt
- Tác động của gió
- Tác động của hệ thống điều hòa không khí
- Hiệu ứng piston trong thang máy
1.6. Tính toán thiết kế quạt điều áp cầu thang
Việc tính toán chọn quạt điều áp cầu thang cần quan tâm đến 2

thông số cơ bản là lưu lượng và cột áp.


6
CHƯƠNG II. MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH
ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI
2.1. Các khối chức năng cơ bản và phương pháp mô hình hóa
cho hệ thống điều khiển khói
2.1.1. Các khối chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển khói
2.1.2, Các phương pháp mô hình hóa
Để có thể mô phỏng cho các quá trình động lực học của hệ thống
điều khiển khói thì cần phải sử dụng các phần mềm CONTAM và
phần mềm FDS.
2.2. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh
2.2.1. Các thành phần cơ bản trong mô hình
Mô hình hệ thống điều khiển khói trong một tòa nhà bao gồm các
thành phần cơ bản sau:
- Cấu trúc của tòa nhà, trong đó thể hiện được cấu trúc của từng
tầng, cấu trúc các phòng, cửa, hành lang, cầu thang, các khe hở...
- Các thiết bị cơ khí bao gồm: quạt gió, ống dẫn gió, van gió.
- Các nguồn tạo khói và các chất gây ô nhiễm.
- Môi trường xung quanh.
2.2.2. Các thông số cơ bản và phương trình liên hệ
Khi khảo sát dòng chảy ổn định thì có nhiều thông số cần quan
tâm như cột áp, lưu lượng, vận tốc, nhiệt độ, nồng độ khí... Trong đó
có 2 thông số đặc biệt quan trọng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau là
cột áp và lưu lượng.
a, Các lối thoát khí
Phương trình đặc trưng cơ bản của các lối thoát khí có dạng lũy
thừa:

- Lưu lượng thể tích:

Q  C (p ) n (m3/s)

(2.1)


7
- Lưu lượng khối lượng:

F  C '(p) n (kg/s)

(2.2)

Một số lối thoát khí thông thường như cửa mở, lỗ thông hơi, khe
hở tuân theo phương trình họng phun, đó là một trường hợp riêng
của phương trình lũy thừa ứng với n = 0,5:

Q  Cd A

2p


(m3/s)

(2.3)

F  Cd A  2p (kg/s)
b, Đường ống dẫn khí:
Tổn hao do ma sát trong đường ống

Tổn thất do động năng:

(2.4)
p f  f

pd  Cd

L U 2
Dh 2

v 2
2

c, Đặc tính của quạt gió
Đặc tính của quạt gió có dạng đường cong và do nhà sản xuất
đưa ra trong các tài liệu kỹ thuật của sản phẩm.
2.2.3. Ứng dụng phần mềm CONTAM để mô hình hóa dòng chảy ổn
định
Phần mềm CONTAM (viết tắt của Contaminant) là một phần
mềm phân tích, đánh giá chất lượng không khí và quá trình thông gió
trong các tòa nhà.
Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang
Mô hình mô phỏng cho tòa nhà chung cư và dịch vụ thương mại
số 3 Nguyễn Huy Tưởng. với 19 tầng nổi, 2 tầng hầm.
Kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ ngoài trời thấp hơn nhiệt
độ trong nhà thì xảy ra hiệu ứng ống khói thuận, khi đó áp suất dư
bên trên cao hơn phía dưới. Khi nhiệt độ ngoài trời cao hơn nhiệt độ


8

trong nhà thì xảy ra hiệu ứng ống khói ngược, khi đó áp suất dư bên
trên nhỏ hơn phía dưới. Ở tầng giữa của buồng thang, áp suất dư có
giá trị trung bình.
Mối quan hệ giữa áp suất dư trung bình với lưu lượng của quạt
gió có thể mô tả theo công thức:

p  k1 .Q 2

(2.7)

Khi thay đổi lưu lượng của quạt gió thì áp suất dư trung bình tại
giữa buồng thang gần như tỷ lệ với bình phương của lưu lượng quạt
gió. Mối quan hệ này còn phụ thuộc vào diện tích thoát khí tại các
cửa.
35
30

k1

25
20
15
10
5
0
0

0.01

0.02

0.03

0.04

Khe hơ (m2)

Hình 2.6. Đồ thị thay đổi của hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở
2.3. Mô hình hóa hệ thống hút khói hành lang và điều áp cầu
thang trong chế độ động
2.3.1. Phương trình cơ bản
Phương trình Navier - Stokes

 u

   u.u   p  . T  f
 t


(2.8)


9
Áp dụng với đám cháy ta có phương trình dưới dạng Tensor :
 ui

p  ij

(  ui u j )  


  gi  f d ,i  m b ''' ub ,i
t
x j
xi x j

(2.9)

Đây là phương trình vi phân riêng phi tuyến nhiều ẩn số. Cho đến
nay chưa có lời giải hoàn chỉnh cho phương trình này.
2.3.2. Phương pháp LES
LES (viết tắt của Large eddy simulation) là một phương pháp kỹ
thuật được áp dụng hiệu quả đối với dòng chảy rối trong chất lưu.
2.3.3. Giới thiệu phần mềm FDS
FDS (viết tắt của Fire Dynamics Simulator) là một phần mềm
mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) của dòng khí và lửa chuyển
động. Phần mềm này giải quyết các bài toán mô phỏng LES trên cơ
sở các phương trình Navier-Stokes.
2.3.4. Thiết kế chương trình đọc kết quả mô phỏng
Sử dụng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 để lập chương trình đọc kết
quả mô phỏng FDS.
2.3.5. Mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống hút khói hành
lang

Mô hình mô phỏng cho 5 tầng của một tòa nhà với một đám
cháy giả định ở tầng 1. Qua kết quả mô phỏng đánh giá hiệu
quả hoạt động của hệ thống hút khói hành lang.
2.3.6. Mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống điều áp cầu
thang.
Mô hình mô phỏng cho hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ
động của tòa nhà chung cư và dịch vụ thương mại số 3 Nguyễn Huy

Tưởng.


10

Hình 2.12 c) Đồ thị biến thiên áp suất
dư tại các tầng của cầu thang
Kết quả cho thấy sự biến thiên của áp suất dư trong cầu thang có
tính quán tính và độ trễ do quá trình không khí chuyển động trong
ống dẫn.
CHƯƠNG III. CÁC GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI
3.1. Nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển tự động
Hệ thống giám sát và điều khiển tự động có nhiệm vụ cơ bản sau:
- Điều khiển tự động các quạt gió, các van gió trong các hệ thống
điều áp cầu thang và hút khói của tòa nhà.
- Giám sát các thông số như độ chênh áp, nhiệt độ, nồng độ
khói…
- Giám sát trạng thái của các thiết bị trong hệ thống điều khiển
khói như các trạng thái Run/Stop của các quạt gió, trạng thái
Open/Close của các van gió.


11
Với đặc điểm khí hậu 4 mùa ở Hà Nội, hệ thống điều khiển khói
sẽ chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng như tác động của gió, hiệu ứng ống
khói, ảnh hưởng của độ ẩm...
3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ giám sát và điều khiển tự động cho
hệ thống điều khiển khói.
3.2.1. Những tồn tại, hạn chế cơ bản của các hệ thống điều khiển

khói trong các nhà cao tầng ở Hà Nội hiện nay và hướng khắc phục.
3.2.2. Xây dựng cấu trúc cơ bản của hệ thống giám sát và điều
khiển.
3.3. Nguyên lý hoạt động của trạm điều khiển khói và hệ thống
hút khói hành lang.
3.3.1. Trạm điều khiển khói (FSCS).
FSCS được thiết kế với bộ phận chính là một bộ điều khiển số,
có thể sử dụng PLC hoặc DDC.
FSCS nhận tín hiệu từ các module I/O và trung tâm báo cháy tự
động, phát tín hiệu điều khiển.
Việc điều khiển hệ thống phải theo đúng thứ tự ưu tiên.
3.3.2. Kết nối giữa FSCS và FACP
Có 2 cách kết nối: kết nối qua cổng truyền thông và kết nối Point
to Point.
3.3.3. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống hút khói hành lang
Hệ thống được điều khiển bởi FSCS theo đúng thứ tự ưu tiên:
điều khiển từ FSCS được ưu tiên thứ nhất, tiếp đó là điều khiển từ
các nút ấn khẩn cấp, cuối cùng là điều khiển từ các cảm biến.
3.3.4. Lưu đồ thuật toán điều khiển của FSCS


12

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán điều khiển của FSCS
3.4. Các yêu cầu và đặc điểm của hệ thống điều áp cầu thang
3.4.1. Các yêu cầu cơ bản với hệ thống điều áp cầu thang
Theo qui chuẩn QCVN 06:2010/BXD thì qui định áp suất dư
không thấp hơn 20 Pa và không lớn hơn 50 Pa [12].
Như vậy hệ thống điều áp cầu thang cần phải đáp ứng yêu cầu:
pmin  p  pmax

3.4.2. Đặc điểm của hệ thống điều khiển điều áp cầu thang.
- Mang tính phi tuyến.
- Các thông số thay đổi và chịu nhiều yếu tố tác động.


13
Với những đặc điểm đó thì giải pháp thích hợp ở đây là sử dụng
điều khiển thích nghi.
3.5. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển điều áp cầu thang
Trong sơ đồ của hệ thống điều khiển có các thành phần chính
như sau:
- Tủ điều khiển chính
- Biến tần
- Cảm biến chênh áp
3.6. Mô hình mẫu hệ thống điều khiển áp suất dư trung bình
3.6.1. Các khối chức năng cơ bản
Mô hình mẫu được dùng trong hệ thống điều khiển thích nghi
gồm các khối chức năng cơ bản sau:
- Đối tượng điều khiển
- Thiết bị chấp hành
- Bộ điều khiển
3.6.2. Đặc tính tĩnh của hệ thống điều áp cầu thang
Ở chế độ tĩnh,với diện tích thoát khí không đổi và coi khối lượng
riêng của không khí không đổi (0 = ) thì áp suất dư gần như tỷ lệ
với bình phương của lưu lượng gió [31].
p = k1.Q2

(3.1)

Trong đó k1 là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào kết cấu của buồng

thang và mạng dẫn gió.
Lưu lượng của quạt gió được coi là tỷ lệ với tốc độ của quạt:
Q = k2f

(3.2)

3.6.3. Nhận dạng hệ thống điều khiển bằng phương pháp SIMC
của Skogestad
a) Phương pháp SIMC của Skogestad


14
Phương pháp SIMC (Skogestad IMC) do Skogestad đề xuất dùng
để tổng hợp bộ điều khiển PID trên cơ sở đơn giản hóa đối tượng
điều khiển thành những khâu quán tính cùng với khâu trễ [56], [57].
Một đối tượng quán tính bậc nhất có trễ được mô tả bởi hàm
truyền:

W

k .e  s
 s 1

(3.3)

Skogestad còn đưa ra một số phép biến đổi gần đúng khi đối
tượng có nhiều thành phần phức tạp:
T0 s  1
1


( 0a s  1)( 0b s  1)  0 a 0b
s 1
T0

b) Đặc tính của Đối tượng điều khiển
Với buồng thang cần điều khiển áp suất dư với đặc tính quá độ
như trên hình 2.11 ta có thể xem như một khâu quán tính bậc nhất có
trễ với các thông số xác định được là 1 = 1 ;  = 1.
Từ (3.2) và (3.3) ta xây dựng được mô hình của đối tượng điều
khiển (dòng khí) như hình 3.7.
Q

k1. Q2

e s
(1s  1)

p

Hình 3.6. Mô hình của đối tượng điều khiển
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc với lưu lượng Q0 ta có thể
mô tả đối tượng điều khiển bởi hàm truyền:
W1 

k1' .e s
(1s  1)


15

Với

k1'  k1.

d (Q 2 )
dQ

Q0

 2k1.Q0

c) Đặc tính của thiết bị chấp hành
Có thể xem gần đúng thiết bị chấp hành là một khâu quán tính
với hằng số thời gian phụ thuộc vào đặc tính của quạt gió, đặc tính
của biến tần và cả thông số cài đặt của biến tần.
Thiết bị chấp hành có thể mô tả bởi hàm truyền với đầu vào là
tần số và đầu ra là lưu lượng của quạt gió:
k0
W2 
 0s  1

(3.9)

3.6.4. Thiết kế bộ điều khiển PID
Sử dụng mô hình bằng Simulink để điều chỉnh thủ công.
Sau khi điều chỉnh thủ công để tìm các thông số tốt nhất, kết quả
nhận được như sau:
kP = 1,2; kI = 0,15 ; kD = 1,2
Đặc tính quá độ khi nhận được như hình 3.10.

Hình 3.8. Mô hình điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID


16

a, Trường hợp không có nhiễu

b, Trường hợp có nhiễu

Hình 3.9. Đặc tính quá độ với bộ điều khiển PID

a) Áp suất dư khi khe hở
b) Áp suất dư khi khe hở 0,008 m2
2
0,01m
Hình 3.10. Đặc tính quá độ khi thay đổi diện tích khe hở
3.7. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để
điều khiển áp suất dư trung bình
3.7.1. Các phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình tham
mẫu
Phương pháp được chọn dựa trên lý thuyết ổn định của
Lyapunov sẽ đảm bảo tính ổn định cho hệ thống.
3.7.2. Phương pháp lý thuyết Lyapunov
Bài toán đặt ra là phải điều chỉnh hệ số khuếch đại của hệ thống
để thích nghi với sự thay đổi theo các điều kiện hoạt động. Giả sử đối
tượng điều khiển được mô tả bởi phương trình trạng thái:
x  A x  B( K  K 0 )uc
e  Cx

(3.10)

17
Trong đó e = y - ym là sai số mô hình.
Theo phương pháp này, ta phải tìm một hàm Lyapunov V(x) xác
định dương cùng với luật điều khiển sao cho đạo hàm của V(x) luôn
âm với x  0 thì hệ sẽ đảm bảo ổn định tiệm cận.
Để tìm được hàm Lyapunov, ta phải tìm 2 ma trận xác định
dương P và Q thỏa mãn phương trình Lyapunov:
ATP + PA = - Q

(3.11)

Luật hiệu chỉnh tham số sẽ là:

dK
  uc BT Px
dt

(3.12)

3.7.3. Thiết lập phương trình trạng thái
a) Các phương trình trạng thái cơ bản
- Khâu quán tính bậc 2
Một khâu quán tính bậc 2 có hàm truyền :
W

k
k'
 2

(1s  1)( 2 s  1) s  a2 s  a1

Đặt các biến trạng thái : x1  y ;

(3.15)

x2  x1 ta được phương

trình trạng thái :
x1  0 x1  x2
x2   a1 x1  a2 x2  k ' u
y  x1

(3.16)

- Mạch vòng điều khiển PI
Giả sử một đối tượng quán tính bậc 2 với bộ điều khiển PI như
hình 3.12. Ta đặt thêm biến trạng thái x3 sau khâu tích phân. Ta được
phương trình trạng thái :


18

x1  0 x1  x2
x2  a '1 x1  a2 x2  k ' x3  k ' k p uc
x3  k I x1  k I uc
y  x1
uc



k
(1s 1)( 2 s  1)

kp

kI /s

x3

Hinh 3.12. Mạch vòng điều khiển PI
b) Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển áp suất dư
Dùng phép biến đổi gần đúng khâu trễ :

e  s 

1
s 1

Bộ điều khiển PID có hàm truyền :

kp
kI
k k
 kD s  I ( D s s 
s  1)
s
s kI
kI
k

k
WPID  I ( I s  1)( D s  1)  (k p'  I )( D s  1)
s
s

WPID  k p s 

Cụ thể với kP = 1,2; kI = 0,15 ; kD = 1,2 ta tính được

I  6,83 s; D  1,17 s; k’p = 1,02
Tiếp tục biến đổi gần đúng theo công thức (3.5) ta có :
 Ds 1
1
1


'
( 0 s  1)( s  1)  0

s
0 1
s 1
D

y


19

uc



y

k
( s  1)( 1 s  1)

k’p

'
0

-

x3

kI /s

Hình 3.14. Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển sau rút gọn
3.7.4. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo phương pháp
Lyapunov
Mô hình hệ điều khiển thích nghi được thiết kế như hình 4.15.
Trong đó mô hình mẫu sử dụng theo mô hình gần đúng có khâu phi
tuyến.
Mô hình mẫu



k0

( 0' s  1)

k’p

-

x

kI /s

Q2

y

k1
( 1 s  1)

x1 m

m

x1

-x3t


u

-

kI /s

Bộ chỉnh
định

kp



K

x2

x3

e

d/d

x1
k0
( 0 s  1)

Q2

k1 e   s
( 1 s  1)

kDs

Hình 3.16. Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng đầy đủ
Phương trình trạng thái của hệ:

y


20

x1  x2
x2  a1' m x1  a2 x2  k m' x3  k ' k ' p ( K  K 0 )uc
x3  k I x1
e  x1
Trong phương trình Lyapunov (3.11) ta chọn ma trận Q là ma
trận đơn vị bậc 3  3
Ma trận P là ma trận đối xứng bậc 3  3
Ma trận P phải thỏa mãn phương trình Lyapunov :
T

A P + PA = - Q
Phần mềm MATLAB cho phép giải phương trình Lyapunov,
khác với cách viết như phương trình (3.11), phương trình trong
MATLAB được viết như sau:
AX + XAT + Q = 0 hay AX + XAT = -Q
Như vậy khi giải bằng MATLAB ta phải nhập ma trận chuyển
vị của A, kết quả nhận được luật điều chỉnh sẽ là :

dK
  uc .0,52(1,1485 x1  1,3853x2  0,9804 x3 ) (3.23)
dt
3.8. Mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cầu thang bằng phần

mềm Simulink
3.8.1. Thiết kế sơ đồ mô phỏng
Trên cơ sở hệ thống điều khiển thích nghi cùng với luật điều
chỉnh (3.23) ta thiết kế sơ đồ mô phỏng như sau (hình 3.19). Trong
mô hình này, sau khi điều chỉnh ta chọn  = 0,00002.


21

Hình 3.19. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển thích nghi
3.8.2. Kết quả mô phỏng
- Hình 3.21 a,b là đồ thị biến thiên của áp suất dư và hệ số điều
chỉnh khi lấy diện tích khe hở là 0,01 m2.
- Hình 3.21 c, d là đồ thị biến thiên của áp suất dư và hệ số điều
chỉnh khi lấy diện tích khe hở là 0,008 m2.

a) Áp suất dư khi khe hở 0,01m2 b) Hệ số điều chỉnh khi khe hở 0,01m2

c) Áp suất dư khi khe hở 0,008 m2 d) Hệ số điều chỉnh khi khe hở 0,008 m2
Hình 3.21. Kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số của mô hình đối
tượng


22

Nhờ có vòng điều khiển thích nghi mà hệ thống ổn định hơn so
với hệ không có vòng điều khiển thích nghi (hình 3.10).
3.9. Thuật toán điều khiển thích nghi
3.9.1. Các khối chức năng cơ bản và phương trình tính toán
Các khối chức năng này được thực hiện bởi các bộ điều khiển lập

trình. Trong đó các phép tính vi phân được chuyển thành phép tính
sai phân.
3.9.2. Lưu đồ thuật toán hệ điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu.

Hình 3.23. Lưu đồ thuật toán điều khiển thích
nghi hệ thống điều áp cầu thang


23
3.10. Điều khiển độ chênh áp giữa các vùng
3.10.1. Nguyên lý điều khiển độ chênh áp
Đối với nhà cao tầng thì áp suất tại các tầng không giống nhau do
hiệu ứng ống khói và các yếu tố khác.
Việc điều chỉnh sự chênh lệch áp suất giữa các tầng được thực
hiện bằng cách đóng hoặc mở các van gió ở các tầng.
Nguyên lý điều khiển hệ thống điều áp cầu thang dựa trên phép
dịch bit.
3.10.2. Thuật toán điều khiển độ chênh áp.

Hình 3.26. Lưu đồ thuật toán điều khiển độ chênh áp