Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước (bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (891.87 KB, 88 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------- --------
PHẠM XUÂN SƠN
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH
MỨC NƢỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT
CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS TRẦN XUÂN MINH
Thái Nguyên, 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
i
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, Em đã nhận đƣợc sự quan tâm rất
lớn của nhà trƣờng, các khoa, các phịng ban chức năng, các Thầy, Cơ giáo và
các bạn học viên.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng
viên đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập ở trƣờng.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy giáo Ts. Trần
Xuân Minh. Trƣờng đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun đã tận tình
hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ
mơn Điều khiển tự động hóa, trung tâm thí nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất
để em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian, thiết bị, trình độ và kinh
nghiệm còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô
giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện và có ý nghĩa ứng
dụng trong thực tế.
Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014
Tác giả luận văn
Phạm Xuân Sơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Xuân Sơn.
Sinh ngày: 16 tháng 09 năm 1970.
Nơi sinh: Tiên Tiến - Tiên Lãng - Hải Phịng.
Học viên lớp Cao học khóa K15 - chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển
và Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại
học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên
Quang. Địa chỉ: Trung Môn- Yên Sơn - Tuyên Quang.
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số
liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn
chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.
Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014
Tác giả luận văn
Phạm Xuân Sơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA. ........................ vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 1
3. Nội dung của luận văn .................................................................................... 2
Chƣơng 1 .............................................................................................................. 3
TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC
BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ......................................................... 3
1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện ................................................... 3
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện .......................................... 5
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện tuabin hơi .............................. 6
1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện .......................................................................... 7
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi ................................................................................... 7
1.2.2. Các loại lò hơi............................................................................................. 8
1.2.3.Cấu tạo của lò hơi ....................................................................................... 9
1.2.4. Nguyên lý làm việc của lò hơi.................................................................. 10
1.2.5. Các hệ thống điều khiển lò hơi................................................................ 11
1.2.5.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển ........................................................ 12
1.2.5.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi .......................................... 12
1.2.5.3. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt ........................................... 14
1.2.5.4. Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy ....................................................... 15
1.2.5.5. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi ........................................................ 16
1.2.5.6. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi ................................................. 16
1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi trong nhà máy
nhiệt điện ............................................................................................................ 18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
iv
1.3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 18
1.3.2. Mục tiêu của nghiên cứu ......................................................................... 18
1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được .................................................................. 19
1.4. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 19
Chƣơng 2 ............................................................................................................ 20
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC
NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN. ............. 20
2.1. Mơ hình đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi. .................. 20
2.1.1. Đặt bài tốn .............................................................................................. 20
2.1.2. Mơ tả tốn học cho đối tượng trong hệ thống điều khiển mức nước
cấp bình bao hơi mơ hình nhà máy nhiệt điện ................................................. 22
2.1.2.1. Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện .................................................... 22
2.1.2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi .................... 23
2.1.2.3. Xây dựng hàm truyền các đối tượng của hệ thống ................................ 23
2.1.3. Hàm truyền của hệ thống ........................................................................ 38
2.1.4. Kết luận: ................................................................................................... 39
2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp
bình bao hơi mơ hình nhà máy nhiệt điện. ....................................................... 39
2.2.1. Tổng quan bộ điều khiển PID ................................................................. 39
2.2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) ................................ 40
2.2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số .......................................................... 43
3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng ................................................................ 45
2.2.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi .................................... 46
2.2.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab Simulink . 47
2.2.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink .............................................. 47
2.2.3.2. Các kết quả mô phỏng ............................................................................ 48
2.2.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm ................................. 49
2.2.4.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:..... 49
2.2.4.2. Giới thiệu về mơ hình thực nghiệm:....................................................... 51
2.2.4.3. Các kết quả thực nghiệm ........................................................................ 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
v
2.2.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng................................................................ 56
2.2.5. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 56
Chƣơng 3 ............................................................................................................ 57
ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ................................................................................ 57
3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ ................................................ 57
3.1.1. Hệ Logic mờ ............................................................................................. 57
3.1.1.1 Khái niệm về tập mờ ............................................................................... 57
3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ........................................................... 58
3.1.2. Bộ điều khiển mờ [6] ................................................................................ 66
3.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động ........................................................................... 66
3.1.2.2 Điều khiển mờ lai .................................................................................... 67
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai .................................................................... 71
3.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 71
3.2.2. Mờ hố ...................................................................................................... 71
3.3. Mơ phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế .................................................. 72
3.4. Kết quả mô phỏng hệ thống ...................................................................... 73
3.4.1. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 73
3.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 74
3.4.3. Đánh giá kết quả ...................................................................................... 76
3.5. Kết luận chương3 ........................................................................................ 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 77
1. Kết luận: ......................................................................................................... 77
2. Kiến nghị: ....................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 78
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
CO
Tín hiệu điều khiển
2
MV
Biến điều khiển
3
CV
Biến đƣợc điều khiển
4
PM
Tín hiệu đo
5
SP
Giá trị đặt
6
GH
Hàm truyền đạt
7
K
Hệ số khuếch đại đầu ra
8
k I,
Các hệ số khuếch đại đầu vào
9
SISO
Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
10
MIMO
Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
11
SIMO
Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.
12
MISO
Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.
13
QTCN
Mức nƣớc cấp bình bao hơi
14
FC
fail-closed -
15
AO
air-to-open -
16
FO
fail-open -
17
AC
air-to-close -
18
PID
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân
19
FLC
Điều khiển logic mờ
20
FMRAFC
Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu
truyền thẳng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA.
Số hiệu
Nội dung
Bảng 1.1
Quá trình sinh hơi
8
Bảng 2.1
Danh mục các thiết bị mơ hình thực nghiệm
52
Hình 1.1
Q trình chuyển hóa năng lƣợng
5
Hình 1.2
Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
7
Hình 1.3
Sơ đồ ngun lý cấu tạo của lị hơi có bao hơi
9
Hình 1.4
Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lị hơi
13
Hình 2.1
Đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi
23
Hình 2.2
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình một mạch
vịng
24
Trang
Hình 2.3
24
Hình 2.4
Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp
25
Hình 2.5
Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
28
Hình 2.6
29
Hình 2.7
30
Hình 2.8
Bao hơi nhà máy nhiệt điện
32
Hình 2.9
Hệ thống lọc khí, hâm nƣớc và bơm nƣớc
33
Hình 2.10
Cơ cấu đo và hiển thị mức nƣớc dùng ống kính
32
Hình 2.11
Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi theo lƣợng nƣớc
cấp
37
Hình 2.12
Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣợng
nƣớc cấp
37
Hình 2.13
Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi một tín hiệu
39
Hình 2.14
Cấu trúc mơ tả tốn học của tồn hệ thống
39
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
viii
Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
40
Hình 2.17
Đồ thị quá độ
42
Hình 2.18
Sơ đồ hệ thống điều khiển
44
Hình 2.19
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp bình
bao hơi nhà máy nhiệt điện
47
Hình 2.20
Cấu trúc mơ phỏng điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi
48
Hình 2.21
Đáp ứng của hệ thống với mức nƣớc 80%
49
Hình 2.22
Đáp ứng của hệ thống với mức nƣớc nhảy cấp từ 80%
xuống 60%
Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện
49
Hình 2.24
Bình cấp nƣớc trong thí nghiệm điều khiển mức nƣớc
bao hơi
50
Hình 2.25
Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp
bao hơi
51
Hình 2.26
Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp
bao hơi
51
Hình 2.27
Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi
80%
56
Hình 2.28
Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi
nhảy cấp từ 80% xuống 60%
56
Hình 3.1
Hàm thuộc biến ngơn ngữ
59
Hình 3.2
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
59
Hình 3.3
Luật hợp thành
60
Hình 3.4
Mờ hố
62
Hình 3.5 a
Thực hiện phép suy diễn mờ
62
Hình 3.5 b
Thực hiện phép hợp mờ
64
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
41
50
ix
Hình 3.6
Những nguyên lý giải mờ
65
Hình 3.7
Cấu trúc một hệ logic mờ
66
Hình 3.8
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD
67
Hình 3.9
Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1)
68
Hình 3.10
Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2)
68
Hình 3.11
Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ
69
Hình 3.12
Hệ mờ với bộ học mờ cho tín hiệu chủ đạo x
69
Hình 3.13
Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
70
Hình 3.14
Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ
71
Hình 3.15
Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào
72
Hình 3.16
Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra
72
Hình 3.17
Các luật điều khiển mờ
73
Hình 3.18
Sơ đồ mơ phỏng theo phƣơng pháp mờ lai
74
Hình 3.19
Sơ đồ mơ phỏng phƣơng pháp mờ lai và phƣơng pháp
PID
74
Hình 3.20
Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai có nhảy
cấp từ 80% xuống 60%
75
Hình 3.21
Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai và PID có
nhảy cấp từ 80% xuống 60%
75
Hình 3.22
Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai và PID khi
tham số của đối tƣợng thay đổi
75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>
Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full
