Nhận dạng hệ thống điều khiển lò hơi trong vòng kín

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trịnh Thị Khánh Ly

NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI
TRONG VÒNG KÍN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trịnh Thị Khánh Ly

NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI
TRONG VÒNG KÍN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. HOÀNG MINH SƠN




LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng

Người hướng dẫn khoa học

năm 2016.

Tác giả luận án

PGS.TS Hoàng Minh Sơn

Trịnh Thị Khánh Ly

i


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận đƣợc rất
nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin
được bày tỏ lòng biết ơn tới Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Điện, Bộ môn Điều
khiển tự động – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Hoàng Minh Sơn đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi
những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên

môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn các thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự Động– Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những người
luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án
này.
Hà nội, ngày tháng năm 2016.
Tác giả luận án

Trịnh Thị Khánh Ly

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ .......................................................... ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của luận án............................................................................... 1
2. Mục tiêu và các kết quả mong đợi của luận án ................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án................................................. 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án...................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 4
6. Bố cục của luận án........................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÒ HƠI............................ 5
1.1 Giới thiệu các phương pháp xây dựng mô hình lò hơi .................................. 5
1.2 Một số kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lò hơi .................................... 6
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết ........................... 6
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm ...................... 8

1.2.3 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hộp xám.......................... 10
1.3 Xác định vấn đề cần nghiên cứu của luận án.............................................. 12
1.3.1 Đánh giá các mô hình động học lò hơi hiện có ................................... 12
1.3.2 Nội dung nghiên cứu của luận án ....................................................... 13
1.3.3 Bài toán xây dựng mô hình hộp xám của lò hơi ................................. 14
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................... 14
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CỦA LÒ HƠI ................................................ 16
2.1 Giới thiệu chung về lò hơi trong nhà máy nhiệt điện.................................. 16
2.1.1 Hệ thống buồng lửa–không khí-khói thải ............................................ 17
2.1.2 Hệ thống hơi-nước .............................................................................. 18
2.2 Mô hình lý thuyết của lò hơi....................................................................... 20
2.2.1 Các phương trình cân bằng ................................................................ 20
2.2.2 Quá trình cháy và truyền nhiệt trong lò hơi ...................................... 22
2.2.3 Mô hình lý thuyết cho bao hơi trong lò hơi ........................................ 23
2.2.4 Mô hình của bộ quá nhiệt .................................................................. 27
2.3 Mô hình tuyến tính cho lò hơi .................................................................... 30
2.3.1 Tuyến tính hóa mô hình bao hơi và bộ quá nhiệt .............................. 31
2.3.2 Mô hình trạng thái tuyến tính của lò hơi ........................................... 32
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................... 35
CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LTI CỤC BỘ ............................................ 36
3.1 Nhận dạng mô hình của lò hơi trong vòng kín: khó khăn và thách thức .... 36
3.2 Giới thiệu chung về nhận dạng hệ thống trong vòng kín ............................ 39
3.2.1 Phương pháp sai số dự báo ................................................................. 39
3.2.2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng lò hơi trong vòng kín ................... 40
iii


3.2.3 Phương pháp sai số dự báo nhận dạng trực tiếp trong vòng kín ........ 41
3.2.4 Tính thông tin của dữ liệu và điều kiện kích thích trong hệ kín ........ 42
3.3 Thuật toán ước lượng tham số mô hình ...................................................... 44

3.3.1 Mô hình nhận dạng trong vòng kín .................................................... 44
3.3.2 Thuật toán sai số dự báo lặp .............................................................. 46
3.3.3 Thuật toán sai số dự báo đệ qui ......................................................... 48
3.4 Thực nghiệm nhận dạng lò hơi trong vòng kín ........................................... 49
3.4.1 Qui trình nhận dạng sử dụng phương pháp PEM .............................. 49
3.4.2 Lựa chọn tín hiệu kích thích............................................................... 51
3.5 Nhận dạng lò hơi nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh..................................... 52
3.5.1 Thu thập dữ liệu lò hơi ...................................................................... 52
3.5.2 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán lặp .................... 55
3.5.3 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán đệ quy .............. 57
3.5.4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình ....................................................... 58
3.6 Nhận dạng lò hơi nhà máy nhiệt điện Phả lại............................................. 61
3.6.1 Thu thập dữ liệu lò hơi ...................................................................... 61
3.6.2 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán lặp .................... 64
3.6.3 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán đệ qui ............... 66
3.6.4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình ....................................................... 66
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................... 70
CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN GIẢ LPV .............................. 72
4.1 Nhận dạng mô hình phi tuyến giả LPV ...................................................... 72
4.1.1 Lựa chọn biến làm việc và các điểm làm việc ..................................... 73
4.1.2 Nhận dạng các mô hình cục bộ LTI trong vòng kín ........................... 74
4.1.3 Ước lượng mô hình toàn cục dựa trên phương pháp nội suy .............. 74
4.2 Xây dựng mô hình giả LPV nội suy tín hiệu .............................................. 75
4.2.1 Nội suy đầu ra sử dụng hàm trọng số tuyến tính ............................... 76
4.2.2 Nội suy đầu ra sử dụng hàm trọng số spline ...................................... 79
4.3 Xây dựng mô hình giả LPV nội suy tham số .............................................. 82
4.3.1 Mô hình toàn cục phi tuyến giả LPV ................................................. 82
4.3.2 Ước lượng các hàm trọng số ............................................................... 84
4.3.3 Áp dụng cho mô hình lò hơi Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại ................ 86
4.3.4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình ....................................................... 89

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 93
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 93
Những kết quả đạt được ............................................................................. 93
Những đóng góp chính của luận án............................................................. 95
KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 97
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................... 103
iv


Phụ lục: Một số đoạn mã code chính trong chương trình phần mềm Matlab .. 104

v




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu các biến quá trình
Ký hiệu
Nội dung, ý nghĩa
Ad
Diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi
Cms, Cmr
Nhiệt dung riêng ống kim loại của bộ quá nhiệt và
của dàn ống sinh hơi
Cps1, Cps2
Nhiệt dung riêng của hơi quá nhiệt cấp 1, cấp 2
Df, Dds, Dfw Lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nước làm mát, lưu

lượng nước cấp
Ds, DT
Lưu lượng hơi bão hòa và hơi quá nhiệt
hfw, hs, hT
enthapy của nước, hơi bão hòa và hơi quá nhiệt
ks, kr
Các hệ số truyền nhiệt
mms, mmr
Khối lượng kim loại bộ quá nhiệt và của dàn ống
sinh hơi
msh1, msh2
Khối lượng hơi quá nhiệt trong cấp 1 và cấp 2
PD, PT
Áp suất bao hơi, áp suất hơi quá nhiệt
QEV, QSH
Lượng nhiệt cấp cho dàn ống sinh hơi, bộ quá nhiệt
Tms, Tmr
Nhiệt độ kim loại bộ quá nhiệt và dàn ống sinh hơi
Ts1, TSH
Nhiệt độ hơi quá nhiệt cấp 1 và cấp 2
Vs, Vw,Vt
Thể tích hơi, nước và môi chất trong bao hơi
Vr
Thể tích môi chất trong ống lên
Hàm lượng hơi trong hỗn hợp trong ống lên
r

Đơn vị
(m2)
(J/kg °C)

(J/kg °C)
(kg/s)
(kg/s)
(J/kg)
(J/kg °C)
(kg)
(kg)
(bar, psig)
(kJ/s)
(0C)
(0C)
(m3)
(m3)
(%)

us, uw
LD
s, w

Nội năng của hơi và nước trong lò
Mức nước bao hơi
Khối lượng riêng của hơi và nước trong bao hơi

(J/kq)
(m)
(kg/m3)

sh1, sh2

Khối lượng riêng của hơi quá nhiệt cấp 1, cấp 2

(kg/m3)

Danh mục các ký hiệu dùng trong mô hình
Ký hiệu
A
B
C
C(q)
G(q)
H(q)
K
S M
u ,y

Nội dung, ý nghĩa
Ma trận hệ thống
Ma trận đầu vào
Ma trận đầu ra
Mô hình của bộ điều khiển
Mô hình của quá trình
Mô hình của của nhiễu
Hệ số lọc Kalman
S là tập con của M
Giá trị của u và y tại điểm làm việc

n

Bậc của mô hình
vi

argmin f(x)
q, q−1
N
x (t )

Giá trị của x sao cho f(x) là nhỏ nhất
Toán tử tiến và lùi
Số mẫu dữ liệu


 xT (t )x (t )

t 0

x (t )

N

N

 xT (t )x (t )

t 0

E(X)
Rw
Ryu(τ)
Φu(ejω)

Φyu(ejω)
 , 0 ,  * , ˆ
ˆi , ˆ(k )

Kỳ vọng toán học của X
Hàm tự tương quan của tín hiệu u
Hàm tương quan chéo của tín hiệu y và u
Phổ công suất của tín hiệu u
Phổ công suất chéo của tín hiệu y và u
Vector tham số, tham số thực, tham số tối ưu, tham số ước lượng

r(k)
u(k)
x(k)
v(k)
y(k)
w(k)
Z
ε(k)
φ
VN
RN
M*
M()

Tín hiệu chủ đạo tại thời điểm k
Tín hiệu vào tại thời điểm k
Vector biến trạng thái tại thời điểm k
Nhiễu đo tại thời điểm k
Tín hiệu ra tại thời điểm k

Nhiễu quá trình tại thời điểm k
Tập dữ liệu đo
Sai số dự báo tại thời điểm k
Vector hồi qui
Hàm mục tiêu tính từ N mẫu dữ liệu
Ma trận hồi quy tính từ N mẫu dữ liệu
Lớp mô hình
Mô hình cụ thể theo tham số 

S
t
ts
grad(V)
Hess(V)

Hệ thống thực
Thời gian [sec]
Thời gian lấy mẫu [sec]
Vector gradient của hàm V
Ma trận Hessian của hàm V

Tham số ước lượng cho thuật toán lặp và đệ qui

Danh mục các từ viết tắt
ARX
ARMAX
BFT
BJ
BMCR
CLSI

AutoRegressive with eXternal input
AutoRegressive Moving Average with eXternal input
Best Fit
Box-Jenkins model
Boiler Maximum Continuous Rating
Closed-Loop System Identification
vii


dc
eco
eva
f
FPE
fw
LPV
LS
LTI
LTV
MIMO
OE
PEM
PRBS
PI
RPEM
SISO
SH
St
Steam-Water System

VAF
wt

Downcomer
Economizer
Evaporator
Fuel
Final Prediction Error
Feedwater
Linear Parameter-Varying (system)
Least square
Linear Time-Invariant (system)
Linear Time-Varying (system)
Multiple-Input Multiple-Output
Output Error
Prediction error method
Pseudo-random binary sequence
Proportional-Integral
Recursive prediction error method
Single Input Single Output
Super Heater
Steam in drum
SWS
Variance Accounted for
Water in drum

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Hình 1.1
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18

Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24

Nội dung
Các điểm làm việc của lò hơi Quảng Ninh
Các thông số của lò hơi ở giá trị phụ tải cực đại và định mức
Các điểm làm việc của lò hơi Phả Lại
So sánh tiêu chí chất lượng các mô hình LPV của lò hơi
So sánh các phương pháp áp dụng
Các phương pháp tiếp cận xây dựng mô hình
Cấu tạo sơ lược lò hơi trong các nhà máy nhiệt điện
Thành phần chính của lò hơi
Cấu trúc vào ra của quá trình nhiệt trong lò hơi
Hệ thống bao hơi - ống xuống - ống lên
Sơ đồ khối của bộ quá nhiệt
Hệ thống trong vòng kín
Nhận dạng hệ thống trong vòng kín
Tín hiệu kích thích nhận dạng hệ thống trong vòng kín
Sự thay đổi của tải lò hơi Quảng Ninh
Các tín hiệu vào của lò hơi Quảng Ninh
Các tín hiệu ra của lò hơi Quảng Ninh
Một số phần tử của ma trận A (mô hình lò hơi Quảng Ninh)
Một số phần tử của ma trận B (mô hình lò hơi Quảng Ninh)
Nhiệt độ hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh)
Áp suất hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh)
Áp suất bao hơi đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh)

Mức nước bao hơi đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh)
Hàm tự tương quan của sai số dự báo (lò hơi Quảng Ninh)
Sự thay đổi tải của lò hơi Phả Lại
Các biến đầu vào của lò hơi Phả Lại
Các biến đầu ra của lò hơi Phả Lại
Một số phần tử của ma trận A (mô hình lò hơi Phả Lại)
Một số phần tử của ma trận B (mô hình lò hơi Phả Lại)
Nhiệt độ hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Phả Lại)
Áp suất hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Phả Lại)
Áp suất bao hơi đo được và dự báo (lò hơi Phả Lại)
Mức nước bao hơi đo được và dự báo (lò hơi Phả Lại)
Hàm tự tương quan của sai số dự báo (Lò hơi Phả Lại)
So sánh nhiệt độ hơi quá nhiệt dự báo và đo được tại 60%
BMCR
ix

Trang
54
62
63
92
92
6
17
19
21
23
27
36
39

42
53
53
54
57
57
58
58
59
59
60
62
62
63
66
66
67
67
67
68
68
69


Hình 3.25
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3

Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22

So sánh áp suất hơi quá nhiệt dự báo và đo được tại 60%
BMCR
So sánh áp suất bao hơi dự báo và đo được tại 60% BMCR
So sánh mức nước bao hơi dự báo và đo được tại 60% BMCR
Lưu lượng hơi quá nhiệt thay đổi trong ngày
Hàm trọng số tuyến tính
Sai số dự báo nhiệt độ hơi quá nhiệt (LPV nội suy tuyến tính)
Sai số dự báo áp suất hơi quá nhiệt (LPV nội suy tuyến tính)
Sai số dự báo áp suất bao hơi (LPV nội suy tuyến tính)
Sai số dự báo mức nước bao hơi (LPV nội suy tuyến tính)

Sai số dự báo nhiệt độ hơi quá nhiệt (LPV nội suy spline)
Sai số dự báo áp suất hơi quá nhiệt (LPV nội suy spline)
Sai số dự báo áp suất bao hơi (LPV nội suy spline)
Sai số dự báo mức nước bao hơi (LPV nội suy spline)
Ví dụ một số hàm trọng số sử dụng hàm Gauss
Phần tử a43 của ma trận A trong mô hình toàn cục
Phần tử b42 của ma trận B trong mô hình toàn cục
Phần tử k42 của ma trận K trong mô hình toàn cục
Nhiệt độ hơi quá nhiệt đo được và dự báo (LPV nội suy tham số)
Áp suất hơi quá nhiệt đo được và dự báo (LPV nội suy tham số)
Áp suất bao hơi đo được và dự báo (LPV nội suy tham số)
Mức nước bao hơi đo được và dự báo (LPV nội suy tham số)
Hàm tự tương quan của sai số dự báo ɛ1
Hàm tự tương quan của sai số dự báo ɛ2
Hàm tự tương quan của sai số dự báo ɛ3
Hàm tự tương quan của sai số dự báo ɛ4

x

69
70
70
73
77
78
78
78
79
81
81

82
82
84
88
88
88
89
89
89
90
90
90
91
91




MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Lò hơi là một đối tượng quan trọng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt
trong các nhà máy nhiệt điện. Hầu hết các hệ thống điều khiển của lò hơi hiện nay
được xây dựng dựa trên các vòng điều khiển đơn, dẫn tới chất lượng điều khiển
hạn chế bởi sự tương tác giữa các vòng điều khiển. Bên cạnh đó, các nhà máy
nhiệt điện thường được thiết kế cho vận hành tối ưu ở công suất cực đại (100%
tải), nhưng thực tế trong quá trình vận hành lò hơi thường làm việc ở trạng thái
có chế độ thay đổi. Do vậy, việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến
nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu suất của lò hơi là một vấn đề được
đặc biệt quan tâm trong cũng như ngoài nước, trong đó bài toán xây dựng mô
hình lò hơi đóng vai trò cốt yếu. Cho đến nay mặc dù có nhiều mô hình động học

của lò hơi đã được đề xuất, song mỗi mô hình đều phục vụ những mục đích khác
nhau và vẫn thiếu những mô hình động học vừa phản ánh tốt động học của lò hơi,
vừa thuận lợi cho việc ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Theo
Astrӧm [9], sự thiếu hụt các mô hình phi tuyến tốt chính là điểm nghẽn để sử
dụng và phát triển các phương pháp hiện đại cho hệ thống điều khiển của lò hơi.
Có ba phương pháp cơ bản để xây dựng mô hình động học của đối tượng là
phương pháp mô hình hóa lý thuyết, phương pháp thực nghiệm (còn gọi là nhận
dạng hệ thống) và phương pháp kết hợp. Các mô hình lý thuyết hay còn gọi là mô
hình hộp trắng phù hợp với bài toán thiết kế và mô phỏng quá trình nhưng lại ít
được sử dụng trực tiếp cho thiết kế hệ thống điều khiển bởi chúng quá phức tạp.
Trong khi đó, mô hình thực nghiệm thuần túy hay còn gọi là mô hình hộp đen
phù hợp cho những bài toán điều khiển với điều kiện vận hành cụ thể nhưng sẽ
không dùng được khi mô tả hệ thống ở điều kiện vận hành thay đổi. Phương pháp
kết hợp mô hình hóa lý thuyết và kỹ thuật nhận dạng, hay còn gọi là phương
pháp hộp xám sẽ cho một mô hình cân bằng giữa sự phức tạp và tính linh hoạt
của mô hình, mô tả tốt động học hệ thống trong phạm vi rộng. Các công trình xây
dựng mô hình lò hơi từ năm 2000 trở lại đây đến đã cố gắng theo hướng tiếp cận
mô hình hóa hộp xám [9, 14, 20, 27, 43, 49].
Một trong những yêu cầu cả về lý luận và thực tiễn của bài toán nhận dạng
lò hơi đó là dữ liệu được thu thập khi hệ thống điều khiển đang vận hành trong
vòng kín. Các nghiên cứu đã chỉ ra mô hình đạt được từ kỹ thuật nhận dạng vòng
kín sẽ cung cấp mô hình thích hợp hơn cho mục đích điều khiển so với mô hình
đạt được từ nhận dạng vòng hở, đặc biệt khi các đối tượng có tính phi tuyến và
không ổn định [21, 23, 26, 28, 29]. Hơn nữa, quá trình vận hành lò hơi trong thực
tiễn không cho phép tách đối tượng ra khỏi các vòng điều khiển để thu thập dữ
liệu trong vòng hở. Tuy nhiên, bài toán nhận dạng trong vòng kín cũng đặt ra một
số khó khăn, trong đó có những vấn đề về lựa chọn cấu trúc mô hình phù hợp, về
1

điều kiện kích thích tín hiệu và khả năng nhận dạng được. Hầu hết các công trình
công bố cho đến nay mới chỉ dựa trên kỹ thuật nhận dạng vòng hở, hoặc kỹ thuật
nhận dạng vòng kín với việc chủ động thay đổi giá trị đặt hoặc thay đổi tín hiệu
đầu vào điều khiển.
Có thể nói, những kết quả nghiên cứu về lý thuyết nhận dạng hiện nay trên
thế giới đã tạo một nền tảng khá vững chắc để có thể áp dụng trong thực tế.
Nhưng đối với một đối tượng phức tạp như lò hơi sẽ có nhiều khó khăn khi nhận
dạng đối tượng đang trong trạng thái vận hành. Theo hiểu biết của tác giả, cho
đến nay chưa có công trình nào công bố kết quả xây dựng một mô hình hộp xám
tương đối đầy đủ của lò hơi sử dụng dữ liệu thu thập trong vòng điều khiển kín
với tín hiệu kích thích bị động. Hơn nữa, cho đến nay cũng chưa có tác giả nào
công bố kết quả việc nhận dạng bị động trong vòng kín để đưa ra một mô hình phi
tuyến phù hợp cho một dải làm việc rộng áp dụng đối với một lò hơi cụ thể trong
một nhà máy nhiệt điện. Việc đưa những kết quả lý thuyết nhận dạng vào áp
dụng để nhận dạng lò hơi để phù hợp với yêu cầu thực tế chắc chắn đòi hỏi những
nghiên cứu phát triển bổ sung. Đây là những động lực chính cho việc lựa chọn đề
tài nghiên cứu của tác giả.

2. Mục tiêu và các kết quả mong đợi của luận án
Luận án đặt ra mục tiêu là đưa ra được quy trình xây dựng được các mô
hình động học của lò hơi trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm khi hệ thống đang vận
hành, phản ánh tốt đặc tính động học chính của lò hơi tại một chế độ làm việc
hoặc cho một phạm vi làm việc rộng, phù hợp cho áp dụng các phương pháp điều
khiển hiện đại, xây dựng và kiểm chứng mô hình cho một số lò hơi cụ thể trong
các nhà máy nhiệt điện. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án phải giải quyết được
các vấn đề chính như sau:
i. Phát triển được một mô hình lý thuyết đơn giản cho lò hơi, phản ánh được
đặc tính động học chính của lò hơi bao gồm sự thay đổi áp suất bao hơi,
mức nước bao hơi, nhiệt độ hơi quá nhiệt và áp suất hơi quá nhiệt, phụ
thuộc vào các biến vào điều khiển và nhiễu tải chính của hệ thống.

ii. Phát triển, bổ sung về mặt lý thuyết cũng như về khía cạnh thực tế các vấn
đề liên quan đến lựa chọn phương pháp nhận dạng, cấu trúc mô hình và cài
đặt các thuật toán ước lượng tham số mô hình ngoại tuyến và trực tuyến.
Làm rõ được những vấn đề lựa chọn điều kiện kích thích để thực hiện thu
thập dữ liệu lò hơi đang vận hành trong vòng kín.
iii. Đưa ra được quy trình phù hợp với thực tiễn để xây dựng mô hình động
học tuyến tính và phi tuyến với độ chính xác cao cho lò hơi mô tả động học
của lò hơi trong phạm vi rộng có xét đến sự thay đổi của điều kiện làm việc
ảnh hưởng đến đặc tính của lò hơi, áp dụng thành công cho nhận dạng lò
2


hơi trong điều kiện hệ thống đang vận hành bình thường tại một số nhà
máy nhiệt điện.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu chung của luận án là lò hơi có bao hơi tuần hoàn tự
nhiên (drum-boiler). Đối tượng cụ thể của luận án là lò hơi đốt than trong nhà
máy nhiệt điện có thông số vận hành gần tới hạn. Thực nghiệm được tiến hành với
các lò hơi tại nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh và Phả lại.
Khi nghiên cứu về mô hình cho điều khiển lò hơi, người ta quan tâm tới hệ
thống chính là hệ sinh nhiệt (buồng lửa, đường nhiên liệu và khói thải) và hệ nhận
nhiệt để sinh hơi (hệ hơi-nước), mỗi hệ thống con này lại bao gồm các thành phần
nhỏ hơn. Phạm vi của luận án tập trung nghiên cứu nhận dạng quá trình sinh hơi
và quá trình duy trì mức nước trong bao hơi ở các chế độ vận hành bình thường.
Các bộ bao hơi và bộ quá nhiệt được coi là các hệ thống có tham số tập trung; quá
trình cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy được giả thiết đang hoạt động ở
chất lượng tốt nhất và ổn định.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Lò hơi là một đối tượng phức tạp gồm nhiều biến vào-ra, nhiều biến trạng
thái, các quan hệ vào-ra là phi tuyến và có tương tác chéo. Để xây dựng mô hình
bằng phương pháp thực nghiệm cho lò hơi đang vận hành trong vòng kín cần phải
giải quyết nhiều vấn đề khi áp dụng lý thuyết nhận dạng hiện đại như vấn đề xác
định tín hiệu kích thích, đảm bảo tính nhất quán, lựa chọn cấu trúc và bậc mô
hình phù hợp, xây dựng thuật toán phù hợp... Đặc biệt, việc lựa chọn một dạng
mô hình phi tuyến thích hợp cho nhận dạng cũng như cho áp dụng các phương
pháp điều khiển hiện đại là một vấn đề thiết yếu. Giải quyết được những vấn đề
này và đưa ra được mô hình tốt cho một số ví dụ lò hơi cụ thể sẽ đem lại những
nhận thức mới về khả năng áp dụng lý thuyết nhận dạng cho các đối tượng phức
tạp trong công nghiệp.
Lò hơi là một đối tượng quan trọng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt
trong các nhà máy nhiệt điện. Hiện nay việc nâng cao chất lượng điều khiển và
hiệu suất của lò hơi là một yêu cầu bức thiết, được đặc biệt quan tâm trong cũng
như ngoài nước. Muốn nâng cao chất lượng điều khiển thì cần phải có được mô
hình tốt của lò hơi. Thực tế cho đến nay chưa có nhiều công trình khoa học trong
và ngoài nước nghiên cứu về xây dựng mô hình của lò hơi, đặc biệt là còn thiếu
các công trình công bố về xây dựng mô hình phi tuyến bằng phương pháp thực
nghiệm trên cơ sở các số liệu thu thập bị động khi lò hơi đang vận hành trong
vòng kín. Do đó, đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao.
3


5. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu đề ra, phương pháp nghiên cứu của luận án là kết
hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, cụ thể là:
- Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới nhất về xây dựng
mô hình lý thuyết và nhận dạng trong vòng kín để từ đó đánh giá ưu nhược điểm
của từng phương pháp. Từ đó tập trung nghiên cứu phương pháp nhận dạng
trong vòng kín phù hợp với đối tượng nghiên cứu.

- Nghiên cứu xây dựng phương án và tiến hành thực nghiệm để thu thập dữ liệu
của lò hơi khi đang vận hành tại các nhà máy, áp dụng kiểm chứng các kết quả
lý thuyết.

6. Bố cục của luận án
Luận án được trình bày trong 4 chương, nội dung chính được tóm tắt cụ thể
như sau:
Chương 1 (Tổng quan về xây dựng mô hình lò hơi): Phân tích, tổng hợp và đánh
giá các kết quả nghiên cứu trước đây về các phương pháp xây dựng mô hình lò hơi
trong và ngoài nước, trên cơ sở đó xác định các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án.
Chương 2 (Mô hình lý thuyết của lò hơi): Phân tích động học hệ thống sinh hơi
của lò hơi (bao hơi, bộ quá nhiệt). Đưa ra hệ phương trình vi phân mô tả động học
của bao hơi và bộ quá nhiệt trên cơ sở kết hợp và phát triển các mô hình đã được
công bố. Tuyến tính hóa để đưa về một cấu trúc mô hình phù hợp cho kỹ thuật
nhận dạng hộp xám nghiên cứu ở chương 3 và chương 4.
Chương 3 (Nhận dạng mô hình LTI cục bộ): Trình bày các kết quả nghiên cứu
về các phương pháp nhận dạng trong vòng kín và cơ sở lựa chọn phương pháp phù
hợp. Phát triển thuật toán nhận dạng cho mô hình trạng thái tuyến tính của lò
hơi tại một điểm làm việc. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được lập trình tính
toán trên phần mềm Matlab, áp dụng cho lò hơi tại Nhà máy nhiệt điện Quảng
Ninh và Nhà máy nhiệt điện Phả Lại.
Chương 4 (Nhận dạng mô hình phi tuyến giả LPV): Trình bày phương pháp và
các kết quả nhận dạng các mô hình phi tuyến giả LPV của lò hơi phù hợp cho một
dải làm việc rộng. Hai phương pháp ước lượng mô hình phi tuyến giả LPV được
trình bày ở đây: phương pháp dựa trên nội suy tín hiệu và phương pháp dựa trên
nội suy tham số từ các mô hình tuyến tính cục bộ. Các kết quả nghiên cứu lý
thuyết được lập trình tính toán trên phần mềm Matlab, áp dụng cho lò hơi tại
Nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh.
Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt những kết quả đạt được và những đóng góp mới
của luận án, bàn luận về khả năng ứng dụng thực tế và kiến nghị cho các hướng

phát triển của đề tài.
4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÒ HƠI

1.1 Giới thiệu các phương pháp xây dựng mô hình lò hơi
Có ba phương pháp cơ bản để xây dựng mô hình động học của đối tượng là
phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm (còn gọi là nhận dạng hệ thống)
và phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Phương pháp lý thuyết chỉ dựa trên thông tin đã biết về hệ thống thực,
kết quả đạt được là một mô hình lý thuyết hay còn gọi là mô hình hộp trắng
(white-box model). Mô hình bao gồm các phương trình vi phân và phương trình
đại số được xây dựng từ các phương trình vật lý, hóa học. Mô hình cho người
dùng cái nhìn đầy đủ về đối tượng, tuy nhiên thường phức tạp và việc xác định
các tham số mô hình từ thông tin của quá trình, thiết bị cũng rất khó khăn.
Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống) ngược lại với phương
pháp lý thuyết, phương pháp này dựa trên dữ liệu thực nghiệm của hệ thống và
kết quả đạt được là mô hình thực nghiệm hay mô hình hộp đen (black-box model),
dưới dạng mô hình có tham số hoặc mô hình không tham số. Ưu điểm của phương
pháp này là đơn giản, không phải thiết lập hay giải các phương trình lý thuyết
phức tạp, tuy nhiên số lượng tham số có thể sẽ rất lớn. Mô hình nhận được chỉ
phù hợp với những điều kiện nhất định, không phù hợp với điều kiện thực nghiệm
có sự biến thiên lớn.
Phương pháp kết hợp lý thuyết –thực nghiệm là sự kết hợp giữa hai
phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên, sử dụng cả thông tin biết trước về
quá trình, thiết bị và dữ liệu thực nghiệm, mô hình đạt được còn gọi là mô hình
hộp xám (grey-box model). Mô hình hộp xám được đánh giá là sự lựa chọn tối ưu
bởi có thể kết hợp được ưu điểm của mô hình hộp trắng và mô hình hộp đen [10,
31, 49] cụ thể là:

- Cấu trúc mô hình được xây dựng sử dụng thông tin về quá trình và thiết bị
thực, nên mô tả tốt quan hệ động học của hệ thống thực.
- Các tham số được xác định bằng kỹ thuật nhận dạng dựa trên dữ liệu thực
nghiệm, nên quá trình tính toán sẽ đơn giản hơn. Các tham số này có thể
được cập nhật nhanh chóng khi đặc tính động học của đối tượng thay đổi và
vì thế có thể được sử dụng cho bài toán nhận dạng trực tuyến.
- Số lượng tham số của mô hình được xác định tối giản, thông thường sẽ giảm
đi rất nhiều so với mô hình hộp đen, thậm chí một số các tham số dễ dàng
được xác định từ phương trình lý thuyết ban đầu.
Từ những ưu điểm trên, mô hình hộp xám được đánh giá là mô hình phù hợp
nhất cho mục đích điều khiển [9], cũng chính vì vậy được lựa chọn cho việc nghiên
cứu xây dựng mô hình lò hơi trong luận án này.
5


Thông tin
biết trước

Dữ liệu
thực nghiệm

Mô hình hộp trắng

Mô hình hộp xám

Mô hình hộp đen

- Sử dụng thông tin đã
biết để xây dựng các
phương trình vi phânđại số dựa trên các định

luật vật lý-hóa học

- Sử dụng thông tin đã
biết để xây dựng cấu
trúc mô hình
- Sử dụng dữ liệu đo để
xác định các tham số
chưa biết

- Giả thiết về cấu trúc
mô hình
- Sử dụng dữ liệu đo
để ước lượng mô hình
có tham số/không
tham số.

1.2 Một số kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lò hơi
Đã có một số lượng lớn công trình nghiên cứu xây dựng các mô hình động
học của lò hơi, các mô hình đó có thể thay từ đơn giản đến phức tạp, tuyến tính
hay phi tuyến, đơn biến hay đa biến tùy theo các quan điểm khác nhau hay theo
mục đích sử dụng. Tuy nhiên cho đến nay vẫn không ngừng có những cố gắng để
cải thiện mô hình động học lò hơi nhằm nâng cao độ chính xác cũng như tăng khả
năng ứng dụng [43]. Dựa trên phương pháp xây dựng mô hình như đã trình bày
trong mục 1.1, có thể khái quát các kết quả nghiên cứu như dưới đây.
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết
Các đóng góp phát triển mô hình lý thuyết lò hơi phù hợp cho mục đích điều
khiển có thể tìm thấy trong các tài liệu [10-12, 22, 46, 47, 49, 59, 71, 80]. Nhìn
chung các mô hình phi tuyến ban đầu của lò hơi thường được giảm bậc để có được
các mô hình phi tuyến đơn giản hay được tuyến tính hóa để có được các mô hình
tuyến tính thuận lợi cho các bài toán điều khiển. Các kết quả tiêu biểu nhất bao

gồm các phương trình vi phân bậc thấp [10, 11] hay các mô hình tuyến tính dưới
dạng các hàm truyền đạt [3, 19]
Astrӧm và Eklund (1972) [11] đã xây dựng mô hình phi tuyến của lò hơiturbin đơn giản bao gồm hai tín hiệu vào là lưu lượng nhiên liệu và vị trí của van
6


turbin (van điều chỉnh lưu lượng hơi vào turbin), với hai tín hiệu ra là công suất
điện và áp suất bao hơi. Mô hình đạt được là hệ phương trình vi phân bậc 1 có 5
tham số được ước lượng dựa trên thông tin ban đầu của hệ thống (bảng thông số
hơi/nước, thông tin của thiết bị). Kết quả được kiểm chứng bằng cách so sánh
giữa dữ liệu đo được với dữ liệu mô phỏng của mô hình cho thấy độ chính xác của
mô hình đạt được.
Tiếp đó Astrӧm và Bell (1987) [10] phát triển mô hình trên bằng cách bổ
sung thêm lưu lượng nước cấp ở đầu vào và mức nước bao hơi ở đầu ra. Kết quả
được ứng dụng trên lò hơi ống lửa 160MW, mô hình này phản ánh được đặc tính
động học của bao hơi và đã được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu hệ thống
điều khiển phối hợp cho nhà máy nhiệt điện. Tuy nhiên mô hình không đánh giá
được lưu lượng hơi, làm hạn chế khả năng ứng dụng của mô hình. Hơn nữa số
lượng các tham số mô hình tăng nên quá trình tính toán được xác định dựa vào
thông tin của thiết bị nên khó thực hiện.
Pellegrineti và Bentsman (1996) [64] đã phát triển một mô hình lò hơi phù
hợp cho bài toán điều khiển. Mô hình đạt được là mô hình phi tuyến bậc 4 bao
gồm 4 tín hiệu vào (lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng không khí, mức nước yêu cầu,
tín hiệu tải yêu cầu), 4 tín hiệu ra (áp suất bao hơi, hàm lượng oxy trong khí thải,
mức nước bao hơi và lưu lượng hơi), thời gian trễ, mô hình nhiễu đo và nhiễu tải.
Mô hình này đã mô tả được chính xác đặc tính động học của lò hơi số 2 nhà máy
điện Abbot. Các hệ số của mô hình được xác định dựa trên thông tin của quá
trình, bảng hơi/nước, thông số vận hành. Mô hình đạt được có thể sử dụng cho
quá trình tổng hợp các thuật toán điều khiển dựa trên mô hình và mô phỏng đáp
ứng của hệ thống.

Công trình [19], [52] mô hình hóa lò hơi bằng các mô hình hàm truyền đạt
SISO sử dụng các phương pháp phân tích, đơn giản hóa và suy luận. Các tham số
của hàm truyền cũng được xác định nhờ vào thông tin và sự hiểu biết về đối
tượng. Mô hình được biểu diễn trực quan trên sơ đồ khối (mô đun hàm truyền)
nên dễ dàng được thực hiện trong các phần mềm mô phỏng như Simulink và
thuận lợi kết nối với các hệ thống điều khiển. Kết quả đã được sử dụng rộng rãi
trong các nghiên cứu về điều khiển phối hợp. Tuy nhiên mô hình đạt được là mô
hình SISO nên không thể hiện được sự tương tác giữa các kênh trong hệ thống.
Mô hình lý thuyết cho ta hiểu sâu về các quan hệ bên trong của quá trình
quan trọng đối với bài toán mô phỏng, nhưng lại thường phức tạp cho thiết kế hệ
thống điều khiển. Tuy các mô hình này có thể được đơn giản hóa để sử dụng
nhưng các hệ số được xác định từ thông tin của hệ thống, thiết bị nên độ chính
xác mô hình không cao. Hơn nữa mô hình không sử dụng được cho vận hành thời
gian thực khi có sự biến thiên của các thông số công nghệ, điều này gây nên hạn
chế khi sử dụng mô hình cho các ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại, cũng như
các bài toán tối ưu năng lượng, tối ưu vận hành lò hơi...

7


1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm
Các mô hình thực nghiệm của lò hơi phù hợp cho mục đích điều khiển mà
luận án quan tâm được xem xét trong các tài liệu [7, 8, 40, 60, 76] và trong đó mô
hình tuyến tính là thành tựu chính đạt được.
Park (1975) [60] đã xây dựng mô hình hộp đen cho bao hơi của lò hơi dựa
trên dữ liệu được thu thập trong vòng kín. Mô hình đạt được là mô hình trạng
thái tuyến tính bao gồm hai tín hiệu vào (lưu lượng nhiên liệu và vị trí van) và
hai tín hiệu ra (lưu lượng hơi và áp suất bao hơi). Các tham số được xác định
bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Tuy nhiên mô hình đạt được là đơn giản
và chưa phản ánh được đầy đủ đặc tính động học của bao hơi.

Chawdhry và Hogg (1989) [16] đã phát triển mô hình đa thức cho lò hơi. Kết
quả đã được ứng dụng để nhận dạng mô hình lò hơi trong nhà máy điện (lò hơi
200 MW và 300 MW tại nhà máy điện Ballylumford và Kilroot). Thực nghiệm
được tiến hành bằng kỹ thuật nhận dạng chủ động trong vòng kín, tức là sử dụng
chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên kích thích ở đầu vào và quan sát tín hiệu ở
đầu ra. Dựa trên bộ dữ liệu thu thập được, tham số mô hình được xác định bằng
thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy hai giai đoạn. Mô hình đạt được có bậc
từ 11-16 phụ thuộc vào sự lựa chọn các biến trạng thái và kết quả cho thấy mô
hình mô tả tốt động học của lò hơi .
H. Aling và J. Heintze (1992) [7] phát triển một mô hình tuyến tính cho lò
hơi dựa trên kỹ thuật nhận dạng vòng kín. Năm biến đầu vào được kích thích
đồng thời bằng chuỗi tín hiệu nhị phân độc lập. Bộ tham số được ước lượng bằng
phương pháp sai số dự báo. Kết quả được kiểm chứng và đánh giá cho lò hơi
Benson đốt than 600 MW tại nhà máy nhiệt điện ở Nijmegen, Hà Lan. Mô hình
đạt được là mô hình ARX và BJ bậc 7, kết quả cho thấy mô hình ARX có độ
chính xác cao hơn so với mô hình BJ. Phương pháp này cho thấy tính khả thi của
kỹ thuật nhận dạng vòng kín áp dụng cho các đối tượng công nghiệp.
Vasqueza JRR và các cộng sự (2008) [76] đã cung cấp mô hình động học áp
suất hơi quá nhiệt của lò hơi ống lửa sử dụng kỹ thuật nhận dạng vòng hở. Thực
nghiệm được tiến hành bằng cách kích thích đối tượng bằng một tín hiệu nhị phân
giả ngẫu nhiên tại đầu vào lưu lượng nhiên liệu và quan sát tín hiệu áp suất ở đầu
ra. Các mô hình được đề xuất là mô hình đa thức đơn biến OE, ARX, ARMAX và
Box-Jenkins. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình ARMAX bậc 2 có trễ đạt được
có độ chính xác cao hơn so với các mô hình còn lại. Mô hình này có thể được sử
dụng cho các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình hay các ứng dụng dự báo.
Các kết quả đã cho thấy vai trò của kỹ thuật nhận dạng cho các đối tượng công
nghiệp.
Tuy nhiên với các kết quả chính là các mô hình hộp đen tuyến tính đều bộc
lộ hạn chế là không mô tả được lò hơi trong phạm vi vận hành rộng, hơn nữa một
số mô hình có bậc cao dẫn đến số lượng lớn các tham số mô hình. Một số các biện

8


pháp khắc phục là mở rộng thêm thành phần phi tuyến hoặc lựa chọn sử dụng kỹ
thuật nhận dạng tham số thay đổi theo thời gian.
Với việc mở rộng cấu trúc cho mô hình ARMAX, Inoue và các cộng sự
(2002) [32] đã xây dựng được mô hình đơn biến giả ARMAX mô tả đặc tính tăng
của nhiệt độ hơi quá nhiệt. Một điểm khác biệt trong công trình này là mô hình
giả ARMAX có các hệ số phi tuyến mô tả đặc tính phi tuyến của nhiệt độ hơi
chính của lò hơi trong chế độ khởi động (tải thay đổi từ 5% đến 30% tải cực đại).
Chất lượng nhận dạng dựa trên các mô hình giả ARMAX sẽ phụ thuộc chính vào
giá trị khởi tạo ban đầu của các thông số mô hình, cũng như các phương thức vận
hành nhà máy. Hiệu suất nhận dạng của các mô hình ARMAX và giả-ARMAX
được so sánh cho thấy độ chính xác của mô hình giả ARMAX. Hai phương pháp
điều khiển thích nghi tự chỉnh và phương pháp điều khiển trượt dựa trên mô hình
này được phát triển. Từ các kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển thích nghi dựa
trên mô hình giả ARMAX cung cấp kết quả tốt hơn khi so sánh với các phương
pháp điều khiển thông thường.
X. Benxian và các cộng sự [14] đã sử dụng mô hình hàm truyền quán tính
bậc nhất có trễ mô tả đặc tính nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi. Kỹ thuật nhận
dạng trực tuyến dựa trên phương pháp đệ qui bình phương tối thiểu đã được đề
xuất để ước lượng thời gian thực các tham số mô hình. Kết quả được ứng dụng
trên lò hơi số 2 (600MW) tại nhà máy nhiệt điện Pingwei, Trung Quốc. Phương
pháp này được sử dụng để mô tả đặc tính động học của nhiệt độ hơi quá nhiệt,
cũng như điều chỉnh tham số bộ điều khiển PID.
Lu và các cộng sự [49] đã xây dựng một mô hình động học đơn biến (SISO)
cho thông số nhiệt độ hơi chính siêu tới hạn của lò trực lưu, với lưu lượng nhiên
liệu (than) là đầu vào và nhiệt độ hơi chính là đầu ra. Phương pháp bình phương
tối thiểu mở rộng đệ qui đã được sử dụng để xác định các tham số mô hình thay
đổi theo thời gian. Dựa trên đáp ứng của mô hình nhận dạng và đáp ứng thực có

độ phù hợp tốt cho thấy mô hình đạt được có độ chính xác cao. Điểm khác biệt
của công trình này so với các công trình trước là thực nghiệm nhận dạng không sử
dụng tín hiệu kính thích chủ động tại các đầu vào, mà dựa trên bộ dữ liệu thực
được thu thập và lưu giữ trong điều kiện làm việc bình thường.
Trong một nghiên cứu trong nước [2], tác giả N. H. Q. Đạt đã xây dựng mô
hình động học cho lò hơi tại nhà máy đạm Phú Mỹ. Dữ liệu thực nghiệm được thu
thập trong vòng kín bằng cách thay đổi giá trị đặt cho từng vòng điều khiển nhiệt
độ và áp suất hơi quá nhiệt trong một thời gian thích hợp. Kết quả đạt được là
mô hình đa thức bậc cao và số lượng các tham số của mô hình rất lớn.
Các mô hình mạng nơron trong các công trình [31, 68, 70] cũng đã đóng góp
đáng kể trong lĩnh vực mô hình hóa lò hơi, được sử dụng cho các mục đích: i) mô
tả đặc tính động học đơn giản của lò hơi [70], ii) chẩn đoán hệ thống và iii) cải
thiện độ chính xác dự báo đầu ra. Có thể thấy rằng các mô hình mạng nơron đáng

9


tin cậy cho điều kiện hoạt động bình thường nhưng ít đáng tin cậy cho các điều
kiện vận hành thay đổi.
Nhìn chung các mô hình hộp đen là đơn giản, dễ sử dụng nhưng số lượng
tham số mô hình có thể là rất lớn (vì không biết trước bậc của mô hình) và đặc
biệt chỉ phù hợp với đối tượng ở trạng thái có điều kiện làm việc cụ thể. Trong
thực tế lò hơi thường xuyên ở trạng thay đổi theo điều kiện làm việc do đó mô
hình hộp đen không mang lại tính ứng dụng cao cho bài toán điều khiển.
1.2.3 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hộp xám
Các kết quả xây dựng mô hình hộp xám của lò hơi cho đến nay đều chú ý tới
xây dựng các mô hình phi tuyến, bao gồm các mô hình trạng thái phi tuyến [9],
mô hình phi tuyến Wiener, mô hình Hammerstein [66] hay kết hợp WienerHammerstein [27, 33].
Astrӧm (2000) đã xây dựng mô hình hộp xám phi tuyến cho bộ bao hơi được
phát triển từ các mô hình bao hơi trong lò hơi trước đó [10, 11]. Mô hình nhận

được là mô hình phi tuyến với mức độ phức tạp vừa phải phản ánh được khá
chính xác đặc tính của bao hơi phù hợp với mục đích điều khiển. Các tham số mô
hình được ước lượng bằng kỹ thuật nhận dạng vòng hở với tín hiệu nhị phân giả
ngẫu nhiên được chủ động kích thích ở đầu vào và đo đáp ứng đầu ra. Kết quả
kiểm chứng cho thấy mô hình có độ phù hợp cao với dữ liệu thực nghiệm, có thể
mô tả tốt động học của bao hơi trong phạm vi rộng. Mô hình này đã được các nhà
nghiên cứu sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển
cho bộ bao hơi [17, 41]. Tuy nhiên mô hình mới chỉ mô tả động học của bao hơi
bao gồm áp suất và mức nước bao hơi với các tham số được ước lượng từ dữ liệu
thu thập trong vòng hở và tín hiệu kích thích chủ động.
Rizvi và cộng sự (2010) [66] đã xấp xỉ mô hình lý thuyết phi tuyến của lò hơi
trong công trình [64] bằng mô hình phi tuyến Hammerstein (bao gồm khối phi
tuyến tĩnh và khối tuyến tính động). Các tham số của mô hình được xác định dựa
trên dữ liệu cũng được thu thập trong vòng hở. Kết quả được thử nghiệm cho lò
hơi nhà máy nhiệt điện Abbott cho độ chính xác cao mô hình với dữ liệu thực
nghiệm. Mô hình đạt được không quá phức tạp, mô tả được đặc tính phi tuyến của
lò hơi. Tuy nhiên khả năng ứng dụng cho các đối tượng công nghiệp bị hạn chế do
đặc tính phi tuyến tĩnh và ngoài ra kỹ thuật nhận dạng sử dụng dữ liệu thu thập
trong vòng hở.
Jafari và cộng sự (2012) [33] đã sử dụng mô hình phi tuyến WienerHammerstein để xấp xỉ mô hình lò hơi trong công trình [64]. Kết quả cũng được
kiểm nghiệm và đánh giá trên lò hơi của nhà máy nhiệt điện Abbott. Ưu điểm của
mô hình này là đã phản ánh được đặc tính phi tuyến tại đầu ra và đầu vào của
mô hình. Cũng như [66], hạn chế chính của các công trình này là mô hình đạt
được là mô hình phi tuyến tĩnh với tham số mô hình được ước lượng dựa trên dữ
liệu thu thập trong vòng hở, do đó hạn chế khi ứng dụng vào điều khiển và chưa
10


phản ánh được đặc tính động học của lò hơi sát với thực tế khi hệ thống lò hơi
đang vận hành.

Gần đây các mô hình tuyến tính tham số biến thiên (LPV) được yêu thích
trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại nhờ khả năng xấp xỉ hệ phi tuyến phức
tạp. Mô hình LPV có tham số thay đổi theo thời gian do đó có thể mô tả tốt hơn
động học của hệ thống trong phạm vi làm việc rộng. Những nghiên cứu về nhận
dạng mô hình LPV cho lò hơi từ năm 2010 được trình bày trong các tài liệu [30,
34, 79, 80, 81]. Điểm chung của các nghiên cứu này là đưa ra mô hình LPV dựa
trên phép nội suy tín hiệu sử dụng các mô hình tuyến tính tham số hằng (LTI)
cục bộ.
Huang [30] đề xuất mô hình LPV cho lò hơi đốt than tầng sôi tuần hoàn
CFB. Mô hình LPV đạt được bằng kỹ thuật nội suy tín hiệu đầu ra của các mô
hình tuyến tính cục bộ sử dụng hàm trọng số tuyến tính. Kết quả mô phỏng cho
thấy mô hình LPV có độ chính xác cao hơn mô hình tuyến tính tham số hằng
LTI; kết quả mô phỏng với bộ điều khiển MPC cho lò hơi sử dụng mô hình LPV
cũng mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn khi sử dụng mô hình LTI.
Trong công trình [34], tác giả đã nghiên cứu ứng dụng của nhận dạng và điều
khiển cho lò hơi công nghiệp CFB. Mô hình LPV đạt được bằng phép nội suy tín
hiệu vào/ra các mô hình cục bộ sử dụng các hàm trọng số tuyến tính, hàm đa thức
và hàm Gauss. Các mô hình cục bộ được mô tả dưới dạng hàm truyền đạt. Kết
quả mô phỏng cho thấy mô hình LPV có độ chính xác cao hơn hẳn so với mô hình
LTI.
Vijayalakshm và các cộng sự [79] đã mô hình hóa mô hình bao hơi (mức nước
bao hơi) sử dụng mô hình LPV. Mô hình cục bộ được mô tả dưới dạng hàm truyền
đạt và mô hình toàn cục đạt được bằng phép nội suy tín hiệu ra của các mô hình
cục bộ. Kết quả được so sánh với tín hiệu ra mô phỏng từ mô hình lý thuyết của
bao hơi, cho thấy mô hình phản ánh được khá tốt đặc tính động học của hệ thống.
Trong nghiên cứu [80], Vijayalakshm tiếp tục sử dụng kỹ thuật nhận dạng
vòng hở và sử dụng phương pháp nội suy tín hiệu LPV để nhận dạng mô hình
buồng lửa với dữ liệu được thu thập trong vòng hở. Kết quả cũng đã cho thấy mô
hình LPV phù hợp để mô tả đặc tính của lò hơi trong phạm vi rộng.
Cuối cùng trong công trình [81], Vijayalakshm đã nhận dạng cho toàn bộ lò

hơi (bao hơi, buồng lửa, bộ quá nhiệt) sử dụng mô hình LPV nội suy đầu ra vẫn
dựa trên kỹ thuật nhận dạng vòng hở. Kết quả đạt được đã cho thấy mô hình
LPV phù hợp phản ánh đặc tính động học của lò hơi trong phạm vi vận hành
rộng. Các phương án điều khiển khác nhau như điều khiển PI và điều khiển PI
thích nghi đã được áp dụng với mô hình này.
Bản chất của mô hình LPV nội suy tín hiệu là một mô hình phi tuyến bởi
các hàm trọng số nội suy phụ thuộc điểm làm việc, vì thế nó cũng được gọi là một
dạng mô hình “phi tuyến giả LPV”. Tuy nhiên do việc kết hợp sử dụng nhiều mô
hình LTI cục bộ, mô hình LPV nội suy tín hiệu khó sử dụng đối với nhiều phương
11


pháp thiết kế điều khiển thông dụng, đặc biệt đối với các phương pháp cần sử
dụng bộ quan sát trạng thái.

1.3 Xác định vấn đề cần nghiên cứu của luận án
1.3.1 Đánh giá các mô hình động học lò hơi hiện có
Qua phân tích, tổng hợp các công trình nghiên cứu trước đây về xây dựng
mô hình động học của lò hơi ở trên cho thấy vấn đề này đã thu hút được rất nhiều
sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, các hướng nghiên cứu rất đa dạng và phong
phú. Số lượng các công trình là rất lớn và mỗi công trình đã tập trung giải quyết
một vấn đề hay một khía cạnh nào đó tùy thuộc vào mục đích sử dụng của chúng.
Các phương pháp xây dựng mô hình lò hơi có thể là phương pháp lý thuyết, kỹ
thuật nhận dạng hộp đen, hay kỹ thuật nhận dạng hộp xám kết hợp lý thuyết và
nhận dạng. Có thể thấy việc sử dụng kỹ thuật nhận dạng hộp xám có thể cung
cấp mô hình thuận lợi cho giải pháp điều khiển dựa trên mô hình.
Từ năm 2000 trở lại đây, các công trình nghiên cứu mô hình hóa hộp xám lò
hơi đều cố gắng tìm kiếm một mô hình phi tuyến mô tả chính xác đặc tính của lò
hơi trong phạm vi rộng hơn và có thể sử dụng được cho các phương pháp điều
khiển hiện đại. Các kết quả chính đạt được cho đến nay bao gồm:

i. Mô hình hộp xám phi tuyến cho bao hơi của Astrӧm [9] mô tả được đặc tính
động học của áp suất bao hơi và mức nước bao hơi. Kỹ thuật nhận dạng sử
dụng dựa trên dữ liệu thu thập trong vòng hở.
ii. Các mô hình phi tuyến Hammerstein và Wienner cho nhiệt độ hơi quá nhiệt
của lò hơi. Kỹ thuật nhận dạng sử dụng cũng là kỹ thuật nhận dạng vòng
hở.
iii. Các mô hình LPV [30, 34, 80, 81] được xây dựng dựa trên kỹ thuật nhận
dạng vòng hở và phương pháp nội suy tín hiệu (từ các mô hình tuyến tính
cục bộ).
Kỹ thuật nhận dạng vòng hở với việc chủ động can thiệp thay đổi ở biến
đầu vào sẽ làm thay đổi ở biến đầu ra và dữ liệu này sẽ được ghi nhận để làm dữ
liệu nhận dạng. Tuy nhiên đối với nhiều quá trình công nghiệp điều này sẽ gặp trở
ngại bởi các yêu cầu ràng buộc về điều kiện vận hành, có thể gây ảnh hưởng lên
quá trình sản xuất nếu quá trình không ổn định, chi phí nhận dạng có thể sẽ rất
lớn và thậm chí còn bị cấm. Do đó nhận dạng vòng kín sẽ gần như là yêu cầu bắt
buộc đối với các hệ thống đang vận hành. Hơn nữa kỹ thuật nhận dạng trong vòng
kín sẽ mang lại một mô hình phản ánh được tính chất động của lò hơi sát với thực
tế hơn và phù hợp hơn cho mục đích điều khiển so với việc sử dụng kỹ thuật nhận
dạng vòng hở. Tuy nhiên, bài toán nhận dạng trong vòng kín cũng đặt ra nhiều
khó khăn, thách thức như vấn đề khả năng kích thích, khả năng nhận dạng được,
đặc biệt khi điều kiện kích thích tín hiệu chủ động bị hạn chế. Bên cạnh đó, việc
12


thực hiện nhận dạng hộp xám còn gặp phải một số vấn đề khó khăn như quá trình
tính toán thực thi là phức tạp do mô hình lý thuyết ban đầu phi tuyến, bên cạnh
đó không có một công cụ tính toán đa năng cho nhận dạng mô hình hộp xám.
Theo hiểu biết của tác giả, cho đến nay chưa có công trình nào công bố kết
quả xây dựng một mô hình hộp xám tương đối đầy đủ của lò hơi sử dụng dữ liệu
thu thập trong vòng điều khiển kín với tín hiệu kích thích bị động. Hơn nữa, cho

đến nay cũng chưa có tác giả nào đưa ra kết quả nhận dạng bị động trong vòng
kín cho một mô hình phi tuyến phù hợp với một dải làm việc rộng của lò hơi trong
một nhà máy nhiệt điện. Một số tác giả đã thành công khi xây dựng mô hình phi
tuyến giả LPV hứa hẹn nâng cao độ chính xác khi mô tả đặc tính hệ thống trong
một phạm vi làm việc rộng, tuy nhiên mới dừng lại ở mô hình LPV nội suy tín
hiệu và nhận dạng vòng hở. Việc xây dựng một mô hình LPV đơn nhất với các
tham số biến thiên theo điểm làm việc, phù hợp hơn đối với các phương pháp điều
khiển hiện đại là một bài toán cần đi sâu nghiên cứu.
1.3.2 Nội dung nghiên cứu của luận án
Luận án đặt ra mục tiêu là đưa ra được quy trình xây dựng được các mô
hình động học của lò hơi trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm khi hệ thống đang vận
hành, phản ánh tốt đặc tính động học chính của lò hơi tại một chế độ làm việc
hoặc cho một phạm vi làm việc rộng, phù hợp cho áp dụng các phương pháp điều
khiển hiện đại, xây dựng và kiểm chứng mô hình cho một số lò hơi cụ thể trong
các nhà máy nhiệt điện.
Từ các phân tích trên đây, luận án tập trung vào nghiên cứu về các vấn đề
cụ thể như sau:
- Nghiên cứu phát triển mô hình lý thuyết cho các bộ phận của lò hơi, như bao
hơi, bộ quá nhiệt sử dụng các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng
năng lượng.
- Trên cơ sở mô hình lý thuyết, lựa chọn cấu trúc mô hình, điều kiện thực
nghiệm và phương pháp ước lượng tham số mô hình.
- Xác định điều kiện kích thích để thực hiện nhận dạng lò hơi trong vòng kín,
xây dựng phương án thu thập số liệu và tiến hành thu thập số liệu khi hệ
thống đang vận hành.
- Nghiên cứu xây dựng quy trình ước lượng mô hình tuyến tính cho lò hơi tại
một điểm làm việc. Khảo sát các điều kiện đảm bảo tính kích thích bền, khả
năng nhận dạng được của phương pháp nhận dạng.
- Nghiên cứu đề xuất dạng mô hình phi tuyến phù hợp và xây dựng quy trình
ước lượng mô hình phi tuyến để xấp xỉ được đặc tính phi tuyến và thay đổi

theo thời gian của lò hơi trong một dải làm việc rộng.
- Xây dựng thuật toán và các hàm trên Matlab để phát triển phương pháp
nhận dạng sai số dự báo lặp và đệ qui cho mô hình trạng thái tuyến tính và
mô hình phi tuyến.
13