Nghiên cứu phát triển lý thuyết điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm

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

Vũ Thu Diệp
Vũ Thu Diệp

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU
TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ SỐ
TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ
DAO ĐỘNG MỀM
SỐ DAO ĐỘNG MỀM
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 62520115
Mã số: 62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh

Hà Nội – 2016
Hà Nội – 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này
là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh
và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là
chính xác và trung thực.

Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Mạnh

Vũ Thu Diệp

-i-


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình,
cũng như chia sẻ động viên chân thành của thầy giáo hướng dẫn
PGS. TSKH Nguyễn Văn Mạnh trong suốt quá trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến
các bước thực hiện cụ thể của đề tài nghiên cứu này.
Tôi xin cảm ơn thầy cô và các đồng nghiệp trong Viện KH&CN Nhiệt – Lạnh đã
có những góp ý quý báu về nội dung nghiên cứu cũng như những vấn đề liên quan
đến chuyên môn trong ngành nhiệt và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận án. Tôi cũng xin cảm ơn tới các thầy, các anh em đồng nghiệp trong
Bộ môn Tự động hóa & Điều khiển quá trình Nhiệt – Lạnh đã có những góp ý về
chuyên môn rất sâu giúp tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu.
Sau cùng, tôi dành những lời chân tình nhất gửi đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh
chị em, hai cô con gái nhỏ đặc biệt là chồng tôi, người đã sát cánh bên tôi, giúp đỡ

tôi trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm luận án. Sự động viên, chia sẻ và giúp
đỡ của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành
luận án này.

- ii -


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...................................

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ....................................................

xii

MỞ ĐẦU.......................................................................................................

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................

4

1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng ...............................

4

1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng.......................................

6

1.2.1 Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi .........................................

8

1.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt....................................

11

1.2.3 Hệ thống điều khiển cấp không khí................................................

15

1.3 Đặc tính và mô hình đối tượng quá trình nhiệt........................................

18

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng...............................

21

1.4.1 Dự trữ ổn định hệ thống điều khiển tầng........................................

21

1.4.1.1 Dự trữ ổn định pha và biên độ theo đường cong Nyquist.....

22

1.4.1.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định hệ thống theo chỉ số dao động
mềm tương ứng với miền đảm bảo chỉ số dao động mềm ...............

23

1.4.1.3 Dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol................................

23

1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển tầng................................................

24

1.4.2.1 Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng
PID sau đó chọn tham số...................................................................

24

1.4.2.2 Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC).............

27

1.4.2.3 Cách tiếp cận dựa trên điều kiện ổn định bền vững áp đặt
cho tất cả các vòng............................................................................

29

1.4.2.4 Một số cách tiếp cận khác.....................................................

30

- iii -


1.5 Kết luận....................................................................................................

33

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HỆ TẦNG

34

2.1 Nền tảng lý thuyết....................................................................................

34

2.1.1 Chỉ số dao động và dự trữ ổn định của hệ thống............................

34

2.1.2 Chỉ số dao động mềm, đường biên mềm và đặc tính mềm............

37

2.1.3 Tính chất và ý nghĩa của chỉ số dao động mềm.............................

39

2.1.3.1 Tính chất của chỉ số dao động mềm.....................................

39

2.1.3.2 Ý nghĩa của chỉ số dao động mềm........................................

39

2.1.4 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm.....................................................

41

2.1.5 Ổn định và dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol........................

45

2.1.5.1 Tiêu chuẩn ổn định Parabol...................................................

45

2.1.5.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định Parabol theo chỉ số dao động
mềm...................................................................................................

47

2.1.5.3 Điều kiện đủ của tiêu chuẩn Parabol.....................................

49

2.2 Áp dụng chỉ số dao động mềm để nghiên cứu hệ tầng ...........................

50

2.2.1 Cấu trúc một vòng tương đương của hệ tầng và hàm truyền hở
của hệ thống.............................................................................................

50

2.2.2 Đặc tính mềm của hệ tầng và khả năng đánh giá dự trữ ổn định...

52

2.2.2.1 Đặc tính mềm của hệ tầng.....................................................

52

2.2.2.2 Sự hội tụ của đặc tính mềm và khả năng đánh giá dự trữ ổn
định hệ tầng.......................................................................................

54

2.2.3 Phương pháp xác định nghiệm đặc tính của hệ tầng.....................

56

2.3 Đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống điều khiển quá trình nhiệt...........

57

2.3.1 Đánh giá dự trữ ổn định hệ thống điều khiển mức nước bao hơi
của lò hơi công suất 300MW công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở
rộng 1.......................................................................................................

58

2.3.1.1 Trường hợp 1: chỉ số dao động mềm trong công thức
(2.18) với α =34,671 và m0 = 0,772..................................................

59

- iv -


2.3.1.2 Trường hợp 2: chỉ số dao động mềm trong công thức
(2.18) với α =34,671 và m0 = 1,5......................................................

61

2.3.2 Đánh giá dự trữ ổn định hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá
nhiệt của lò hơi công suất 300MW công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí
mở rộng 1................................................................................................

63

2.3.2.1 Trường hợp 1: chỉ số dao động mềm trong công thức
(2.18) với α =0,8826 và m0 = 0,772.................................................

65

2.3.2.2 Trường hợp 2: chỉ số dao động mềm trong công thức
(2.18) với α =0,8826 và m0 = 0,1......................................................

67

2.4 Kết luận...................................................................................................

70

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦNG
DỰA TRÊN CHỈ SỐ DAO ĐỘNG MỀM......................................................

71

3.1 Nền tảng lý thuyết....................................................................................

71

3.1.1 Bài toán tổng hợp bền vững tối ưu.................................................

71

3.1.2 Hệ thống bền vững..........................................................................

71

3.1.3 Hệ thống bền vững chất lượng cao................................................

72

3.2 Phương pháp tổng hợp bền vững hệ điều khiển tầng..............................

74

3.3 Thực thi bộ điều khiển bền vững.............................................................

78

3.4 Phương pháp xác định các hệ số bộ điều khiển theo chỉ số dao động
mềm...............................................................................................................

81

3.5 Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của các bộ điều khiển...........................

86

3.6 Các bước thực hiện chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng..............

87

3.6.1 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững trong hệ tầng ........

87

3.6.2 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID (bộ
PID bền vững) trong hệ tầng...................................................................

87

3.6.3 Trường hợp hệ hai tầng ..................................................................

88

3.6.4 Xét trường hợp cụ thể với hệ thống điều khiển quá trình nhiệt......

91

3.6.4.1 Hệ thống điều khiển được sử dụng trong các tài liệu [30]
và [35]...............................................................................................

91

-v-


3.6.4.2 Chỉnh định bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều
khiển mức nước bao hơi của lò hơi công suất 300MW công ty cổ
phần nhiệt điện Uông Bí mở rộng I...................................................

101

3.6.4.3 Chỉnh định bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều
khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi công suất 300MW công ty
cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở rộng ...............................................

105

3.7 Đánh giá và so sánh chất lượng của hệ thống với bộ điều khiển bền
vững...............................................................................................................

109

3.8 Kết luận....................................................................................................

113

CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG.............................................

114

4.1 Hệ thống điều khiển mức nước................................................................

114

4.1.1 Hoạt động của hệ thống..................................................................

115

4.1.2 Nguyên lý điều khiển của hệ thống................................................

115

4.1.3 Mô hình toán học của hệ thống......................................................

117

4.1.4 Hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển.........................

118

4.1.5 Phần mềm thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển.......................

119

4.2 Tiến hành thí nghiệm và nhận dạng đối tượng .......................................

121

4.2.1 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng........................................

121

4.2.2 Thu thập số liệu thực nghiệm.........................................................

121

4.2.3 Xử lý số liệu....................................................................................

123

4.2.4 Mô hình hóa đối tượng...................................................................

124

4.3 Chỉnh định hệ thống.................................................................................

126

4.3.1 Chỉnh định hệ thống với bộ điều khiển bền vững .........................

126

4.3.2 Chỉnh định hệ thống với bộ điều khiển PID bền vững ................

129

4.3.3 Kết quả thử nghiệm .......................................................................

131

4.4 Kết luận....................................................................................................

133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................

- vi -

134


TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

135

Tài liệu tham khảo tiếng Việt.................................................................

135

Tài liệu tham khảo tiếng Anh..................................................................

135

Tài liệu tham khảo tiếng Nga..................................................................

141

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN........

143

PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tóm tắt thuật toán tối ưu hóa vượt khe..................................

1

Phụ lục 2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển mức nước............................

4

Phụ lục 3: Các công cụ phần cứng, phần mềm sử dụng..........................

5

Phụ lục 4: Các khối chính trong mạch điều khiển và mạch in................

8

- vii -


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Ý nghĩa

R hay R(s)

Hàm truyền bộ điều chỉnh của hệ thống một tầng

O hay O(s)

Hàm truyền đối tượng của hệ thống một tầng

OPT hay OPT(s)

Hàm truyền phần phân thức của đối tượng của hệ thống một
tầng

H hay H(s)

Hàm truyền của hệ hở của hệ thống một tầng

W hay W(s)

Hàm truyền của hệ kín theo kênh đặt của hệ thống một tầng



Tần số

H(jω)

Đặc tính tần số thông thường của hệ hở

H( +j)

Đặc tính tần số mở rộng loại II của hệ hở

j  1

Đơn vị ảo

s

Biến phức

R1 hay R1(s)

Bộ điều khiển vòng ngoài cùng (vòng thứ nhất) của hệ tầng

R2 hay R2(s)

Bộ điều khiển vòng thứ 2 của hệ tầng

V1 hay V1(s)

Đối tượng tương đương ứng với bộ điều chỉnh R1 của hệ tầng

V2 hay V2(s)

Đối tượng tương đương ứng với bộ điều chỉnh R1 của hệ tầng

H1 hay H1(s)

Hàm truyền của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R1 của hệ tầng

H2 hay H2(s)

Hàm truyền của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R2 của hệ tầng

θi hoặc θk

Hằng số quán tính của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh Ri hoặc Rk
của hệ tầng

O1 hay O1(s)

Hàm truyền đối tượng vòng ngoài cùng (vòng thứ nhất) của
hệ tầng

O2 hay O2(s)

Hàm truyền đối tượng vòng thứ 2 của hệ tầng

O1PT(s)

Phần phân thức của O1(s)

O2PT(s)

Phần phân thức của O2(s)
- viii -


V1PT(s)

Phần phân thức của V1(s)

V2PT(s)

Phần phân thức của V2(s)

m0

Chỉ số dao động cứng

m hay m(ω)

Chỉ số dao động mềm

mc

Chỉ số dao động mềm tại tần số cắt (chỉ số dao động của cặp
nghiệm trội)

ωc

Tần số cắt

T

Chu kỳ dao động



Hệ số tắt dần

c

Hệ số tắt dần tại tần số cắt (hệ số tắt dần của cặp nghiệm trội)

sc

Nghiệm trội của hệ thống

α

Hệ số mềm hóa

τ hoặc τi

Thời gian trễ của đối tượng hoặc thời gian trễ của đối tượng
thứ i trong hệ tầng

MON

Đường biên mềm

q

Số điểm cực thực của hệ hở, hoặc bậc của thành phần tích
phân

n

Bậc của mẫu số hàm truyền đối tượng

p

Số cặp điểm cực phức của hệ hở

P

Trục hoành của parabol P = Q2-1

Q

Trục tung của parabol P = Q2-1

D(s)

Đa thức đặc tính của hệ kín

DH(s)

Đa thức đặc tính của hệ hở

H(m j)

Đặc tính mềm của hệ hở

H(m0 j)

Đặc tính cứng của hệ hở

QTi

Tung độ của điểm cắt thứ i giữa đặc tính mềm của hệ hở và
Parabol P = Q2-1

- ix -


Rk hoặc Ri
(Rk(s) hoặc Ri(s))

Hàm truyền bộ điều chỉnh ở vòng thứ k hoặc i trong hệ điều
khiển tầng

Ok hoặc Oi
(Ok(s) hoặc Oi(s))

Hàm truyền đối tượng vòng thứ k hoặc i trong hệ điều khiển
tầng

WK hay WK(s)

Hàm truyền của hệ tầng trực thuộc tính từ đầu ra của Rk đến
đầu vào của Ok

OTk hay OTk(s)

Hàm truyền tương đương của phần mạch, tính từ đầu ra của
Ok đến đầu vào của Rk trong hệ điều khiển tầng

Hk hay Hk(s)

Hàm truyền của hệ hở ứng với khâu điều chỉnh thứ k trong hệ
điều khiển tầng

Fq hoặc Fk
(Fq(s) hoặc Fk(s))

Hàm truyền khâu phản hồi thứ ứng với vòng thứ q trong hệ
điều khiển tầng

OiPT hay OiPT(s)

Hàm truyền phần phân thức của đối tượng thứ i

H1(m j)

Đặc tính mềm của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R1 của hệ tầng

H1(m0 j)

Đặc tính cứng của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R1 của hệ tầng

H2(m j)

Đặc tính mềm của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R2 của hệ tầng

H2(m0 j)

Đặc tính cứng của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh R2 của hệ tầng

Y(s)

Đáp ứng hệ thống trên miền ảnh phức

Vtđk hay Vtđk(s)

Hàm truyền đối tượng tương đương ứng với bộ điều chỉnh Rk
trong hệ tầng

mi

Chỉ số dao động của vòng thứ i của hệ tầng

mci

Chỉ số dao động cắt của vòng thứ i của hệ tầng

Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ĐK

Điều khiển

BĐK

Bộ điều khiển

ZN-2

Phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols

PID

Bộ điều khiển có các thành phần tỷ lệ - tích phân - vi phân

-x-


PI

Bộ điều khiển có các thành phần tỷ lệ - tích phân

PD

Bộ điều khiển có các thành phần tỷ lệ - vi phân

IMC

Cấu trúc mô hình nội
Chỉ tiêu tích phân bình phương sai lệch theo thời gian (


ISE



I   2 (t ) dt )
0

Chỉ tiêu tích phân của tích bình phương của thời gian và sai lệch


ISTE

theo thời gian ( I 

 t (t )

2

dt )

0

Chỉ tiêu tích phân của tích bình phương của bình phương thời gian
IST2E





2

2
và sai lệch theo thời gian ( I  t  (t )  dt )
0

SMC

Điều khiển mô hình trượt

MSC

Điều khiển đa chiều

SISO

Hệ thống một đầu vào một đầu ra
(single-input and single-output)

MIMO

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra
(multiple-input and multiple-output)

CT

Công trình công bố

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1

Kết quả tính toán đáp ứng hệ thống trên hình 4.13

133

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển hai tầng

Hình 1.2

Hệ thống điều khiển tầng chia quá trình thành hai phần theo
5
Lipták

- xi -

4


Hình 1.3

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển tầng

6

Hình 1.4

Mô hình điều khiển đối tượng lò hơi

7

Hình 1.5

Sơ đồ nguyên lý điều khiển trong hệ thống điều khiển mức
10
nước bao hơi của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.6

Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước
11
bao hơi của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.7

Sơ đồ nguyên lý điều khiển dùng bộ vi phân trong hệ thống
13
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.8

Sơ đồ cấu trúc điều khiển dùng bộ vi phân của hệ thống điều
14

khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.9

Sơ đồ cấu trúc điều khiển dạng chuẩn của hệ thống điều khiển
14
nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.10

Sơ đồ nguyên lý điều khiển trong hệ thống điều khiển cấp
17
không khí của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.11

Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển cấp không
18
khí của lò hơi nhà máy nhiệt điện

Hình 1.12

Dạng đặc tính quá độ đặc trưng của các đối tượng nhiệt

Hình 1.13
Hình 1.14

19

Các dạng đặc tính quá độ phổ biến của đối tượng nhiệt có tự

19
cân bằng
Các dạng đặc tính quá độ phổ biến của đối tượng nhiệt không
20
có tự cân bằng

Hình 1.15

Ví dụ cách xác định dự trữ ổn định của hệ thống theo pha và
22
biên độ

Hình 1.16

Hệ thống điều khiển dùng phản hồi rơ le

Hình 1.17

Hệ thống điều khiển hai tầng sử dụng rơ le theo Hang và đồng
26
nghiệp

Hình 1.18

Hệ thống điều khiển hai tầng sử dụng rơ le theo Sihai Song và
26
đồng nghiệp

Hình 1.19

Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương pháp IMC

Hình 1.20

Sơ đồ khối hệ điều khiển tầng sử dụng phương pháp IMC theo
29
Mario và Jancito

Hình 1.21

Hệ điều khiển hai tầng (a) và cấu trúc một vòng tương đương(b) 30

- xii -

25

27


Hình 1.22

Cấu trúc điều khiển tầng sử dụng cấu trúc hai bậc tự do theo
31
[56]

Hình 1.23

Mô hình trượt hệ tầng theo T.H. Tran

32

Hình 2.1

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển một tầng

34

Hình 2.2

Đáp ứng ra của một thành phần dao động

36

Hình 2.3

Các đường giới hạn nghiệm khác nhau

38

Hình 2.4

Đặc tính tần số mở rộng của hệ hở

39

Hình 2.5

Sự biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số

39

Hình 2.6

Nghiệm đặc tính bên trái đường biên mềm và góc quay của các
43
véc tơ con

Hình 2.7

Đường cong Nyquist với hệ đơn giản

45

Hình 2.8

Đường cong Nyquist với hệ phức tạp

46

Hình 2.9

Đường cong Nyquist và Parabol P = Q2-1

46

Hình 2.10

Sự hình thành góc quay của các véctơ con, ứng với nghiệm trái
49
hoặc phải, khi  = 0 

Hình 2.11

Đánh giá dự trữ ổn định theo các điểm cắt giữa đặc tính mềm và
50
parabol;  =0

Hình 2.12

Sơ đồ hệ một vòng tương đương của hệ tầng, ứng với bộ điều
51
khiển Rk

Hình 2.13

Đặc tính mềm H1(-mω+jω) hội tụ về gốc tọa độ khi (=1) và
55
phân kỳ khi chỉ số dao động trở nên cứng (=0)

Hình 2.14

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi của lò hơi
công suất 300 MW, công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở 58
rộng I

Hình 2.15

Nghiệm trội s1, s2 và các đường biên mềm của hệ thống

Hình 2.16

Đặc tính mềm H2(-mω+jω) và đặc tính cứng H2(-m0ω+jω) của
60
hệ hở vòng trong trong trường hợp 1

Hình 2.17

Đặc tính mềm H1(-mω+jω) và đặc tính cứng H1(-m0ω+jω) của
60
hệ hở vòng ngoài trong trường hợp 1

Hình 2.18

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài và đường cong Parabol
61
trong trường hợp 1

- xiii -

59


Hình 2.19

Đặc tính mềm H2(-mω+jω) và đặc tính cứng H2(-m0ω+jω) của
62
hệ hở vòng trong trong trường hợp 2

Hình 2.20

Đặc tính mềm H1(-mω+jω) và đặc tính cứng H1(-m0ω+jω) của
62
hệ hở vòng ngoài trong trường hợp 2

Hình 2.21

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài và đường cong Parabol
63
trong trường hợp 2

Hình 2.22

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò
hơi công suất 300 MW, công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở 64
rộng I

Hình 2.23

Nghiệm trội s1, s2 và các đường biên mềm của hệ thống

Hình 2.24

Đặc tính mềm H2(-mω+jω) và đặc tính cứng H2(-m0ω+jω) của
66
hệ hở vòng trong trong trường hợp 1

Hình 2.25

Đặc tính mềm H1(-mω+jω) và đặc tính cứng H1(-m0ω+jω) của
66

hệ hở vòng ngoài trong trường hợp 1

Hình 2.26

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài và đường cong Parabol
67
trong trường hợp 1

Hình 2.27

Đặc tính mềm H2(-mω+jω) và đặc tính cứng H2(-m0ω+jω) của
68
hệ hở vòng trong trong trường hợp 2

Hình 2.28

Đặc tính mềm H1(-mω+jω) và đặc tính cứng H1(-m0ω+jω) của
68
hệ hở vòng ngoài trong trường hợp 2

Hình 2.29

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài và đường cong Parabol
69
trong trường hợp 2

Hình 3.1

Sơ đồ hệ một vòng tương đương của hệ tầng, ứng với bộ điều
82

khiển Rk

Hình 3.2

Đường cong đặc tính mềm hệ hở của hệ tầng bền vững

84

Hình 3.3

Đặc tính mềm của hệ hở nhiều tầng

86

Hình 3.4

Sơ đồ hệ một vòng tương đương ứng với bộ điều khiển R1

89

Hình 3.5

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hai tầng

91

Hình 3.6

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
93

mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω)

Hình 3.7

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định lại 94
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển R1

Hình 3.8

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt
- xiv -

65

94


Hình 3.9

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh nhiễu vòng trong

Hình 3.10

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
96
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω)

Hình 3.11

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định lại 97
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển R1

Hình 3.12

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt

97

Hình 3.13

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh nhiễu vòng trong

98

Hình 3.14

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
99
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω)

Hình 3.15

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định lại 100
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển R1

Hình 3.16

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt

100

Hình 3.17

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh nhiễu vòng trong

101

Hình 3.18

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi của lò hơi
công suất 300 MW, công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở 101
rộng I

Hình 3.19

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
103
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω)

Hình 3.20

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định lại 104
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển R1

Hình 3.21

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt

104

Hình 3.22

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh nhiễu vòng trong

105

Hình 3.23

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò
hơi công suất 300 MW, công ty cổ phần nhiệt điện Uông Bí mở 106
rộng I

Hình 3.24

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
107
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω)

Hình 3.25

Đặc tính mềm của hệ hở vòng ngoài H1(-mω+jω) và đặc tính
mềm của hệ hở vòng trong H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định lại 108
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển R1

Hình 3.26

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt

- xv -

95

108


Hình 3.27

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh nhiễu vòng trong

Hình 3.28

Đường biên mềm MON tương ứng với chỉ số dao động mềm có
110
α =3; m0 =1,6 và vị trí cặp nghiệm trội

Hình 3.29

Đáp ứng bước giá trị đặt của hệ thống

111

Hình 3.30

Đáp ứng bước với nhiễu vòng trong của hệ thống

111

Hình 4.1

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

114

Hình 4.2

Sơ đồ điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước

116

Hình 4.3

Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước

116

Hình 4.4

Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển

118

Hình 4.5

Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển
120
trên máy tính

Hình 4.6

Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng các đối tượng trong hệ thống

Hình 4.7

Đường cong thu thập dữ liệu u, Wnc, H từ các cảm biến theo
122
thời gian

Hình 4.8

Đáp ứng bước của đối tượng vòng trong trong trạng thái hở

Hình 4.9

Đáp ứng bước của đối tượng toàn phần của hệ thống trong trạng
124
thái hở

Hình 4.10

Sơ đồ các đối tượng trong hệ thống trong quá trình thu thập dữ
124
liệu để nhận dạng

Hình 4.11

Đường đặc tính mềm của hệ hở tương ứng với bộ điều khiển

vòng ngoài H1(-mω+jω) và ứng với bộ điều khiển vòng trong 127
H2(-mω+jω)

Hình 4.12

Đường đặc tính mềm của hệ hở tương ứng với bộ điều khiển
vòng ngoài H1(-mω+jω) và ứng với bộ điều chỉnh vòng trong 128
H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định hệ số khuếch đại của R1

Hình 4.13

Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt

Hình 4.14

Đường đặc tính mềm của hệ hở tương ứng với bộ điều khiển
vòng ngoài H1(-mω+jω) và ứng với bộ điều khiển vòng trong 130
H2(-mω+jω)

Hình 4.15

Đường đặc tính mềm của hệ hở tương ứng với bộ điều khiển
vòng ngoài H1(-mω+jω) và ứng với bộ điều chỉnh vòng trong 131
H2(-mω+jω) sau khi chỉnh định hệ số khuếch đại của R1

Hình 4.16

Đường cong thu thập dữ liệu u, Wnc, H từ các cảm biến theo
132
thời gian trong quá trình điều khiển

- xvi -

109

121

123

128


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Đối tƣợng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống Ďiều khiển công
nghiệp. Đặc Ďiểm của lớp Ďối tƣợng này là thƣờng có quán tính lớn, có trễ vận tải
và thƣờng xuyên thay Ďổi bất thƣờng theo phụ tải. Ngoài ra trong quá trình Ďiều
khiển thƣờng xuất hiện các loại nhiễu ảnh hƣởng khá mạnh Ďến thông số công nghệ
Ďầu ra.
Lò hơi trong nhà máy nhiệt Ďiện là một loại Ďối tƣợng nhiệt Ďiển hình trong Ďó có
nhiều hệ thống Ďiều khiển nhƣ Ďiều khiển nhiệt Ďộ, Ďiều khiển mức nƣớc, Ďiều khiển
áp suất. Các quá trình nhiệt trong lò hơi là những quá trình rất phức tạp, chịu ảnh
hƣởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Ví dụ khi thay Ďổi công suất lò hơi bằng cách
thay Ďổi lƣu lƣợng nhiên liệu cấp vào buồng Ďốt, sẽ Ďồng thời kéo theo sự thay Ďổi
của nhiệt Ďộ hơi ra và áp suất trong buồng Ďốt. Tác Ďộng Ďiều khiển lƣu lƣợng
không khí cấp vào buồng Ďốt sẽ làm thay Ďổi trực tiếp áp suất trong buồng Ďốt. Một
số hệ thống Ďiều khiển chính của lò hơi là hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc trong bao
hơi, hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt, hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá
trình cháy. Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành Ďó là các van

Ďiều khiển. Trong quá trình hoạt Ďộng, có nhiều nguồn nhiễu ảnh hƣởng Ďến van và
do Ďặc tính của chính bản thân van là phi tuyến và bất Ďịnh. Do vậy giải pháp sử
dụng cấu trúc Ďiều khiển tầng là phù hợp Ďối với các hệ thống Ďiều khiển trên bởi vì
ƣu Ďiểm nổi bật của Ďiều khiển tầng là cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng
nhƣ khử tính phi tuyến và bất Ďịnh của Ďối tƣợng vòng trong.
Các phƣơng pháp chỉnh Ďịnh Ďã biết trƣớc Ďây áp dụng cho các hệ thống Ďiều
khiển quá trình trong nhà máy nhiệt Ďiện còn khó khăn và/hoặc chƣa Ďạt hiệu quả
cao. Ví dụ phƣơng pháp chỉnh Ďịnh Zigler – Nichols [65] dễ áp dụng nhƣng dẫn Ďến
hệ thống có Ďộ dao Ďộng lớn. Phƣơng pháp mô hình nội (IMC) [41] cho chất lƣợng
Ďáp ứng giá trị Ďặt rất tốt nhƣng khử nhiễu quá trình lại kém. Phƣơng pháp ổn Ďịnh
bền vững [69] cho chất lƣợng hệ thống tốt cả với giá trị Ďặt và nhiễu nhƣng bộ Ďiều
khiển có cấu trúc phức tạp, khó thực thi. Vì vậy ở các nhà máy nhiệt Ďiện ngƣời ta
thƣờng chỉnh Ďịnh hệ thống phần lớn dựa vào kiến thức chuyên gia và kinh nghiệm.
Trên thế giới Ďã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ Ďiều khiển nhiều tầng (hệ
tầng), trong Ďó hầu hết tập trung vào việc giải quyết bài toán tổng hợp các bộ Ďiều
chỉnh theo mục Ďích bám giá trị Ďặt và có lƣu ý Ďến khử nhiễu. Bên cạnh Ďó, bài
toán khảo sát về tính ổn Ďịnh cũng nhƣ dự trữ ổn Ďịnh của hệ tầng còn ít Ďƣợc quan
tâm nghiên cứu.
-1-


Các khái niệm ―chỉ số dao Ďộng mềm‖, ―Ďặc tính mềm‖, ―Ďƣờng biên mềm‖ [67]
Ďƣợc áp dụng hiệu quả Ďể khảo sát tính ổn Ďịnh của hệ thống Ďiều khiển một vòng
cho các Ďối tƣợng có trễ vận tải. Thêm vào Ďó, việc kết hợp với quan Ďiểm―Ďiều
khiển bền vững chất lƣợng cao‖ [69] Ďã Ďơn giản hóa bài toán chỉnh Ďịnh hệ một
vòng. Tuy vậy việc áp dụng các khái niệm và quan Ďiểm trên vẫn chƣa Ďƣợc xét Ďến
cho hệ tầng kể cả vấn Ďề Ďánh giá Ďộng học mà cụ thể là Ďánh giá Ďộ dự trữ ổn Ďịnh
của hệ nhiều tầng cũng nhƣ bài toán tổng hợp và chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong
hệ tầng.
Thực tiễn nêu trên Ďã Ďịnh hƣớng tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận

án: ―Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá
trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm‖.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục Ďích của luận án là phát triển lý thuyết hệ Ďiều khiển nhiều tầng về các vấn
Ďề Ďánh giá Ďộng học và chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng.
Đối tƣợng mà luận án áp dụng Ďể nghiên cứu là các Ďối tƣợng nhiệt với Ďặc Ďiểm
là có quán tính và có trễ.
Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển lý thuyết cho các
hệ Ďiều khiển tầng tổng quát (hệ nhiều tầng nói chung), sau Ďó áp dụng Ďể Ďiều
khiển Ďối tƣợng nhiệt.
3. Ý nghĩa khoa học của luận án
Luận án nêu ra phƣơng pháp Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của hệ thống Ďiều khiển
tầng, Ďóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ Ďiều khiển trong hệ
tầng và chỉnh Ďịnh (hay lựa chọn) tham số cho chúng. Độ tin cậy của kết quả nghiên
cứu Ďƣợc Ďánh giá thông qua so sánh chất lƣợng Ďiều khiển của hệ thống khi sử
dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng các phƣơng pháp nghiên khác (thể
hiện trong mục 3.7 ở chƣơng 3 của luận án) và Ďƣợc chứng minh bằng thực nghiệm.
Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ Ďiều khiển, các tham số này Ďƣợc lựa
chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của Ďối tƣợng (thể hiện ở công thức (3.63)) nên
kết quả của luận án có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu Ďiều khiển tầng cho các
Ďối tƣợng có trễ, Ďặc biệt là Ďối với các Ďối tƣợng nhiệt.
Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau Ďể phát triển hoàn
thiện lý thuyết về hệ Ďiều khiển tầng trong vấn Ďề chỉnh Ďịnh hệ thống.

-2–


4. Nội dung của luận án
Chƣơng 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống Ďiều khiển tầng, trình bày
một số ứng dụng Ďiển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, Ďặc Ďiểm và mô hình Ďối

tƣợng quá trình nhiệt. Tiếp theo, tổng quan và phân tích phƣơng pháp Ďánh giá dự
trữ ổn Ďịnh cũng nhƣ tổng hợp hệ thống Ďiều khiển tầng trên thế giới.
Chƣơng 2 trình bày phƣơng pháp nghiên cứu Ďộng học hệ tầng. Trên cơ sở khái
niệm ―chỉ số dao Ďộng mềm‖, ―Ďặc tính mềm‖, ―Ďƣờng biên mềm‖ của hệ thống và
các tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh mềm, tiêu chuẩn Parabol, luận án Ďã phân tích, Ďánh
giá và nêu ra phƣơng pháp Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của hệ nhiều tầng trong công
nghiệp nói chung và quá trình nhiệt nói riêng. Chƣơng 2 cũng trình bày phƣơng
pháp xác Ďịnh nghiệm Ďặc tính của hệ tầng dựa trên Ďặc tính mềm bằng phƣơng
pháp Ďồ thị.
Chƣơng 3 xây dựng phƣơng pháp chỉnh Ďịnh hệ Ďiều khiển quá trình nhiệt nhiều
tầng dựa trên ―chỉ số dao Ďộng mềm‖ và ―cấu trúc bền vững chất lƣợng cao của hệ
thống‖. Dựa trên nền tảng lý thuyết, chƣơng này trình bày phƣơng pháp tổng hợp
các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng Ďể Ďƣa ra công thức các bộ Ďiều khiển bền vững,
sau Ďó thực thi chúng. Trong chƣơng này, luận án cũng rút ra phƣơng pháp và quy
trình chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong hệ thống tầng nói chung và hệ hai tầng nói
riêng. Đánh giá và so sánh chất lƣợng của một hệ thống quá trình nhiệt Ďƣợc chỉnh
Ďịnh theo phƣơng pháp Ďề xuất với một số phƣơng pháp chỉnh Ďịnh khác.
Chƣơng 4 trình bày hệ thống thử nghiệm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý
thuyết thu Ďƣợc. Hệ thực nghiệm xây dựng theo cấu trúc hai vòng Ďiều khiển mức
nƣớc trong thùng chứa có dòng chảy liên tục, bao gồm hai bộ Ďiều khiển PID Ďƣợc
chỉnh Ďịnh theo phƣơng pháp Ďã Ďề xuất trong luận án.
5. Những kết quả khoa học chủ yếu của luận án
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao Ďộng mềm, Ďặc tính mềm, luận án rút ra công
thức Ďặc tính mềm của hệ Ďiều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghệ
nhiệt. Chứng minh Ďặc tính mềm này hội tụ. Điều Ďó cho phép áp dụng tiêu
chuẩn dự trữ ổn Ďịnh mềm và tiêu chuẩn Parabol Ďể Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của
hệ tầng.
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao Ďộng mềm và quan Ďiểm về Ďiều khiển bền
vững chất lƣợng cao, luận án rút ra cấu trúc của các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng.
- Luận án Ďề xuất phƣơng pháp lựa chọn tham số các bộ Ďiều khiển hệ nhiều tầng

dựa vào chỉ số dao Ďộng mềm tại tần số cắt và thời gian trễ của Ďối tƣợng.

-3-


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng
Trên thực tế Ďã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ Ďiều khiển (ĐK) nhiều tầng
(hay hệ tầng), tuy nhiên vẫn chƣa có sự Ďồng nhất giữa các nhà nghiên cứu trên thế
giới về khái niệm cấu trúc hệ tầng.
Doug Cooper [15] và J. Love [27] Ďịnh nghĩa cấu trúc Ďiều khiển tầng có hai bộ
Ďiều khiển, Ďầu ra của bộ Ďiều khiển vòng ngoài Ďƣợc sử dụng Ďể Ďiều khiển giá trị
Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong. Cấu trúc của hệ thống này gồm hai vòng Ďiều
khiển (hình 1.1). Vòng trong bao gồm bộ Ďiều khiển vòng trong R2, Ďối tƣợng vòng
trong O2. Vòng ngoài bao gồm vòng trong, bộ Ďiều khiển vòng ngoài R1, Ďối tƣợng
vòng ngoài O1. Ngoài ra có hai nguồn nhiễu tác Ďộng: nguồn nhiễu thứ nhất tác
Ďộng vào vòng trong d2 có hàm truyền là B2, nguồn nhiễu thứ hai tác Ďộng vào vòng
ngoài d1 (có hàm truyền là B2) và có ảnh hƣởng trực tiếp Ďến biến cần Ďiều khiển y1.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển hai tầng
Điều khiển tầng Ďƣợc Astrom và Hagglund [31] Ďịnh nghĩa nhƣ sau: Ďiều khiển
tầng Ďƣợc sử dụng khi có nhiều tín hiệu Ďo và một biến Ďiều khiển. Điều khiển tầng
Ďƣợc xây dựng bằng các vòng phản hồi Ďiều khiển, ví dụ hệ thống hai vòng nhƣ
hình 1.1. Vòng bên trong Ďƣợc gọi là vòng trực thuộc tƣơng ứng với bộ Ďiều khiển
R2 và Ďối tƣợng O2, vòng bên ngoài gọi là vòng chính tƣơng ứng với bộ Ďiều khiển
R1 và Ďối tƣợng O1. Điều khiển tầng cũng có thể có nhiều vòng. Điều Ďó phụ thuộc
vào số lƣợng tín hiệu Ďo, có thể lên Ďến một giới hạn nào Ďó. Nếu tất cả các biến

-4–


trạng thái Ďƣợc Ďo, không cần phải Ďƣa vào những biến Ďo khác. Trong trƣờng hợp
nhƣ vậy, bộ Ďiều khiển tầng giống nhƣ phản hồi trạng thái.
Tác giả Lipták [12] trình bày về hệ tầng nhƣ sau: Ďiều khiển tầng có cấu trúc hai
vòng, ở Ďó Ďầu ra của bộ Ďiều khiển vòng ngoài (hay bộ Ďiều khiển chính) là giá trị
Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong (hay bộ Ďiều khiển trực thuộc). Trong cấu hình
tầng, quá trình Ďƣợc chia làm hai phần và vì thế có hai bộ Ďiều khiển Ďƣợc sử dụng
(hình 1.2), bộ Ďiều khiển vòng ngoài duy trì biến chính y1 ở giá trị Ďặt bằng cách
Ďiều chỉnh giá trị Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong . Bộ Ďiều khiển vòng trong Ďáp
ứng cả giá trị Ďặt và biến Ďiều khiển vòng trong. Trong quá trình Ďiều khiển, nhiễu
cũng ảnh hƣởng tới quá trình vòng ngoài y1. Sơ Ďồ khối chi tiết của hệ thống Ďiều
khiển tầng nhƣ hình 1.1. Trong Ďó bộ Ďiều khiển vòng ngoài R1 phát ra giá trị Ďặt
cho bộ Ďiều khiển vòng trong R2, bộ Ďiều khiển vòng trong phát tín hiệu Ďiều khiển
u tới quá trình vòng trong O2, quá trình vòng trong nối tới quá trình vòng ngoài O1
qua biến y2 và do Ďó nó cũng ảnh hƣởng tới biến Ďiều khiển vòng ngoài y1. Hai
nguồn nhiễu tác Ďộng vào hệ thống là d1 và d2.
Nhiễu

Quá trình
vòng trong

Quá trình vòng
ngoài

y2
Bộ điều khiển
vòng trong

y1
Bộ điều khiển
vòng ngoài

Hình 1.2. Hệ thống điều khiển tầng chia quá trình thành hai phần theo Lipták
Weidong Zhang [60] Ďƣa ra Ďặc trƣng của Ďiều khiển tầng (hình 1.1) nhƣ sau:
 Bộ Ďiều khiển Ďƣợc thiết lập trong quá trình vận hành là bộ Ďiều khiển chính
R1. Bộ Ďiều khiển còn lại là bộ Ďiều khiển trực thuộc R2. Tín hiệu ra của bộ
Ďiều khiển R1 có liên quan tới bộ Ďiều khiển R2.
 Hai vòng hồi tiếp lồng nhau, với vòng trực thuộc (tƣơng ứng với Ďối tƣợng O2)
ở trong vòng chính (tƣơng ứng với Ďối tƣợng O1).
Hầu hết các tác giả nêu trên chỉ xét hệ Ďiều khiển tầng là hệ có hai vòng kín với
hai bộ Ďiều khiển mà chƣa Ďƣa ra Ďƣợc Ďịnh nghĩa rõ ràng, tổng quát và nhất quán
về hệ tầng nói chung.

-5-


Theo tác giả Nguyễn Văn Mạnh [69], một hệ thống Ďiều khiển tầng là hệ thống
gồm nhiều vòng Ďiều chỉnh lồng nhau, trong Ďó nhiệm vụ chủ yếu của mỗi bộ Ďiều
khiển là Ďiều khiển Ďối tƣợng thuộc cùng vòng.
Sơ Ďồ cấu trúc tổng quát của hệ thống Ďiều khiển tầng Ďƣợc thể hiện nhƣ trên
hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển tầng
Trong Ďó:
z là tín hiệu giá trị Ďặt
u là tín hiệu Ďiều khiển của bộ Ďiều khiển vòng trong cùng
d1, d2, ..., dn là các tín hiệu nhiễu tác Ďộng quy về Ďầu ra của các Ďối tƣợng
Fi , Ri , Oi, Bi lần lƣợt là hàm truyền của khâu phản hồi, của các bộ Ďiều khiển,

của các Ďối tƣợng, của các nhiễu trong hệ thống
Hệ thống Ďiều khiển tầng Ďƣợc ứng dụng rộng rãi nhờ các ƣu Ďiểm [1, 10, 11, 12,
31, 40, 43, 45, 59] sau:
- Tăng Ďộ ổn Ďịnh của hệ thống nói chung so với hệ một vòng
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ
- Giảm sự phi tuyến và tính bất Ďịnh của Ďối tƣợng vòng trong Ďặc biệt do cơ
cấu chấp hành (các van Ďiều chỉnh) gây ra

1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng
Hệ thống Ďiều khiển tầng Ďƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp, Ďặc biệt là
trong các hệ thống Ďiều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà máy nhiệt Ďiện
có hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá trình cháy, hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi
quá nhiệt, hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi ...
-6–


Xét theo quan Ďiểm Ďiều khiển, lò hơi trong nhà máy nhiệt Ďiện là loại Ďối tƣợng
Ďa liên kết khá phức tạp, trong Ďó các Ďại lƣợng Ďiều chỉnh tác Ďộng tƣơng hỗ lẫn
nhau. Ví dụ khi thay Ďổi lƣợng than cấp vào lò làm cho áp suất hơi thay Ďổi nhƣng
cũng dẫn Ďến làm thay Ďổi lƣợng oxy thừa trong khói thải, thay Ďổi lƣu lƣợng hơi
quá nhiệt và thay Ďổi nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt. Mô hình Ďiều khiển Ďối tƣợng lò hơi
thể hiện trên hình 1.4.

Hình 1.4. Mô hình điều khiển đối tượng lò hơi
Trong Ďó:

Gkhói tái TH là lƣu lƣợng khói tái tuần hoàn
Gkhói là lƣu lƣợng khói
Gkhông khí là lƣu lƣợng không khí
B là khối lƣợng nhiên liệu

-7-


Dbh là lƣu lƣợng hơi bão hòa
Pbl là áp suất buồng lửa
Wgp là lƣu lƣợng nƣớc giảm ôn phun
Wnc là lƣu lƣợng nƣớc cấp
Wxả là lƣu lƣợng nƣớc xả
% NOx là phần trăm lƣợng khí NO, NO2 trong khói
% O2 là phần trăm lƣợng oxy trong khói thải
Pqn, Dqn, tqn lần lƣợt là áp suất, lƣu lƣợng và nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt
Hbh là mức nƣớc bao hơi
NaCl là muối Natri Clorua
Các kênh tác Ďộng chính là các kênh Ďiều khiển chính còn các kênh tác Ďộng
chéo Ďƣợc coi là nhiễu.
Đối tƣợng lò hơi thuộc loại Ďối tƣợng nhiều Ďầu vào nhiều Ďầu ra (hệ MIMO) và
tác Ďộng chéo lẫn nhau rất phức tạp, nếu dùng hệ phƣơng trình trạng thái Ďể mô tả
hệ thống sẽ rất phức tạp, phi tuyến và có kích thƣớc lớn. Từ giữa thế kỷ trƣớc, lý
thuyết Ďiều khiển quá trình nhiệt Ďã Ďi theo con Ďƣờng phân rã thành nhiều hệ một
Ďầu vào một Ďầu ra (hệ SISO) nhƣng có liên hệ Ďộng với nhau [16, 20, 31, 48, 71]
và hình thành các hệ Ďiều khiển tầng trong nó.
Luận án trình bày ba hệ thống Ďiều khiển chính của lò hơi có sử dụng cấu trúc
Ďiều khiển tầng Ďó là hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi, hệ thống Ďiều khiển
nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt và hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá trình cháy.
1.2.1 Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi
a. Phân tích hệ thống
Nhiệm vụ của hệ thống này là cung cấp vừa Ďủ lƣợng nƣớc thỏa mãn nhu cầu hơi
từ các hộ trong Ďó chủ yếu là từ tuabin.
Mục Ďích của việc Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi là giữ cho mức nƣớc trong bao

hơi Ďạt tới giá trị Ďặt mong muốn trong dải sai số cho phép (giá trị xác lập).
Nếu mức nƣớc thấp làm mặt nƣớc gần với miệng của ống xả muối trong bao hơi
làm cho khả năng xả muối bị kém Ďi dẫn tới làm xấu chất lƣợng nƣớc trong bao hơi
vì nồng Ďộ muối tăng lên. Nếu mức nƣớc giảm quá sâu, thì sẽ tạo ra phễu xoáy, cản
trở dòng nƣớc Ďi vào ống xuống, có thể làm ngƣng vòng tuần hoàn của nƣớc, tạo
nên những vùng ống khô (toàn hơi) làm cho ống bị Ďốt nóng.
Nếu mức nƣớc cao thì khả năng lọc hơi của các syclon bị kém. Nếu mức cao quá,
hơi ẩm tấn công vào bộ quá nhiệt làm ảnh hƣởng Ďến bộ quá nhiệt và tăng Ďộ ẩm
-8–