Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho thiết bị trao đổi nhiệt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.65 MB, 26 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN ĐẮC HUYÊN

ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
CHO THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

C u nn n

t u t

ều

ển v tự

n

s

T

TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đ Nẵng, Năm

8

Ỹ THUẬT

C
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴN

: PGS.TS. Đo n Qu n V n

: TS. H

u nVn

: TS. N

Đn T

n

Đ

chuyên

bách khoa

Đ

*
- T
Đ
- T

â
Đ

l
Đ

T
,T

Đ

T
B

Đ
-Đ

B
Đ

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ề tài
n nằm ở

Quy trình công ngh s n xu t bia g

ổi nhi t làm l nh dịch bia nằm ở

n u bia, lên men bia và chiết bia. Thiết bị

â x ởng n u. Thiết bị làm l nh dị
l

n

í

T

â x ởng lên

c làm l

970C cần làm l

n lắng xoáy dịch bia có nhi

q

1
ặt ra là hầu hế

V

cs
x

ra của dịch bia không ổ
ến men bia, d

ến

r

u sử dụng b

Integral Derivative) truy n th
ứ

e

5 ến 1 lít men trên 100 lít dị

ng kho

â x ởng

n cu i củ

90C theo yêu cầu công ngh và chủng lo i gi

nhi

í

l

n chuy n giao dị

men bia. Ở cu

â x ởng

u khi n nhi

lên men bia
ng.

e
u khi n PID (Proportional
, v i h n chế là không

ổi thông s v n hành d

ến vi

ứ

ổi công ngh . Khi nhi

c yêu cầ

u khi n không

ịnh, làm cho bia bị s m màu, có th gây
ởng ch l

ng của bia.

ến

ởng

2

D

ần c i tiến b

khi n hi

u khi n PID bằng cách kết h p v i các b

u khi n m

u khi n nhi

u

là gi i pháp cần thiết

c l a ch n.
ổi nhi t khi có s

Trong quá trình v n hành thiết bị
trong h th ng m t s b

u khi n tỏ ra ho

ứ

gian hoặ

ổi thông s

ng không chính xác theo th i

c yêu cầu công ngh trong th c tế làm vi c.

Đ u khi n m sử dụng kinh nghi m của chuyên gia gi i quyế
của b

u khi

n là nó áp dụng r t hi u qu trong các quá trình còn
í

thiếu thông tin, không th
D

cv

c kết h

x

q

u khi n m vào trong h th

c i thi n ch l

nhi t là gi i pháp cần thiế
2. Mục íc n

x

ịnh rõ.
ổi

u khi n thiết bị

ng h th ng.

n cứu

Nghiên cứu thiết kế b

ổi nhi t d a trên

u khi n PID m cho thiết bị

lý thuyết m ,

áp dụng th t vào

u khi n t i nhà máy Bia Dung

Qu t.
Nhiên cứ q

ổi nhi t giữa hai ch t lỏng nóng và l nh

q

l

u khi n bằng van tuyến tính ở ngõ ra thiết bị tr

l
q
l

ổi nhi t t

m mỏng của thiết bị
ết bị

ổi nhi

ng và ngõ ra là nhi

ị

l

dịch bia.

H th ng có mô hình toán phức t p, sử dụ
D

í

Ứng dụng b

ổi nhi t. Dịch

ơ

u khi n bở

c

ơ

xác sau m t th i gian làm vi c.

u khi n PID m

u khi n nhi

dịch bia ra ổ

ịnh và

ữ

lỏ

ứng nhanh.

3. Đ

tượng nghiên cứu

Đ

ê
ế xú

D

Q

Đ
q

ứ l

ế

ị

Đ

ổ

ở
ê

â x ở

ứ

ủ
ủ q

ẩ

ị

l-

l, ế

-

3

l

ã, ế

ế l

lắ

ổ

ò

l lắ

x

ù

ế

ê

â x ở

lê

e

ê

ứ

ế

ủ q

â l

ê lý l

ủ

ầ

T ế

ổ

ị

ầ

ị

ở

ủ
l

ẻ
ò

ế ,

ủ

ò

ổ
ở

,

ị

ỏ

ế

ị

ổ

l

ổ
ê

ủ

ổ

ởl

ị

e

ỏ
l

lê

ế

ế ứ q

ế
l

ủ

x
lê

ị

ế

l

e

ổ

q
í

ầ

ữ l

ế

q

l
ế

, ế

ủ

ị

7 oC x

ụl
o

,

C

ằ

lâ

ứ

ễ

q

ủ
lê

e

bia.
4. N i dung nghiên cứu
ê
nhi

ứ ứng dụng lý thuyế

vào trong h th

u khi n

ổi nhi t.

thiết bị
Thiết l

c củ

T ế

ế

D

ở

ứ

5. Ý n

ĩ

ỏ
o

Đ gi i quyết v

ê M l

ọc và thực tiễn củ
u khi n nhi

í

i thi n, nâng cao s ổ

ổ
x

l

l

ủ

ế q

ề tài
trong các thiết bị

“Thiết bị tr o ổi nhiệt kiểu tấm”
bia. Nhằm mụ

ủ

ặ 9oC

õ

ê

ị

ê

ịnh của s n phẩm.

ổi nhi t nói

4

Vi c áp dụng các b

q

u khi

u khi n nhi
,

t i nhà máy bia Dung Qu t là m t gi i pháp có tính th c tiễn
nhanh, ổ

ị

ê

ứng

l i hi u qu kinh tế.

6. B cục lu n văn
Ngoài phần mở ầu và kết lu ,
ơ

n
C

ơ

c th c hi n trong 4

ơ

i các

:
1: Quy trình công ngh s n xu t bia và h th ng thiết bị

nhi t.
C

ơng 2: Xây d ng mô hình h th

C

ơ

3: Lý thuyết

C

ơ

4: Đ u khi n PID và PID m

ổi nhi t

u khi n PID và PID m
ng

ổi

5

CHƯƠN

1. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ HỆ
THỐNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

1.1.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
TẠI NHÀ MÁY BIA DUNG QUẤT

Hình 1.1:

công nghệ sản xu t bia.

6

* Thiết bị tr o ổi nhiệt tấm:

Hình 1.2: Thiết bị r o ổi nhiệt Alfalaval.
1.2. THIẾT BỊ NẤU BIA:
1.2.1. Máy nghiền m lt ướt:
1.2.2.Nồ

ường hóa

1.2.3. Nồi lọc ( Lauter tun)
1.2.4. Nồ

un s

1.3.LÊN MEN BIA:
1.3.1. Cấu tạo chung:
1.3.2. Nguyên lý làm việc:

7

CHƯƠN

Ô HÌNH ĐỐI TƯỢNG HỆ THỐNG TRAO

2. XÂY DỰN

ĐỔI NHIỆT
2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC VỚI ĐỐI TƯỢNG
l l

Các biến vào củ
bị (W1, TL1), l

l

l l

l

l

ng và nhi

c l nh ra (W ’, T ’), l

ng và nhi
l

tục không dừng l i nên ta có th

l
l

l l

ng ở

i thì biế

các biến TL1, TN2
là nhi

l

l

l

ng và nhi

ng ch t lỏng v n chuy n liên

ng dòng vào và ra của dị

nhau. Trong h th ng thiết bị này, biến cần
u khi

c l nh vào thiết

dịch bia vào thiết bị (W2, TN2). Biến ra của

dịch bia ra (W2, T ’). Trong thiết bị

T ’, biế

ò

ng và nhi

u khi n là nhi

ò

l

dòng dịch bia

c l nh ra W ’, trong mô hình
l l

u khi

c xem là nhiễu củ

l

c l nh ra W ’,

ng. Biến ra không cầ

u khi n

ổi nhi t T ’.

cl
TT

TL1; W1

TL1'; W1'

TN2'; W2

TN2; W2

Hình 2.1:
Nhi

của dịch bia ra T

nguyên lý thiết bị r o ổi nhiệt t m.
ằng c m biến nhi

’

sẽ gửi tín hi u dòng theo chuẩn 4-20mA v b
ặt. B
giữa giá trị nhi t

u khi n sẽ

u chỉnh tín hi

th c và giá trị nhi

u khi n so sánh v i nhi t

ầu ra tuỳ thu c vào s sai khác

ặt. Tín hi

u khi n, vị trí mở của van phụ thu c vào tín hi

, c m biến nhi t

ầ
u khi n.

i van

8

n

tượng:

ơ

n nhi t từ môi ch t này sang môi ch t khác thông qua

b mặt tiế xú

c tính:

Q  kT .A.Tm

T

(2.1)

:
(W)

- Q là dòng nhi

- kT là h s truy n nhi t (W/m2K)

ổi nhi t (m2)

- A là di n tích mặ

- ∆Tm là nhi t sai giữa hai dòng môi ch t
- WN = W2 l l

l

- WL = W1 l l

l

ng dịch bia
c l nh

Nhi t sai giữa hai dòng môi ch
Tm 

c tính:

TL1' - TL1   TN 2 - TN 2' 
ln  TL1' - TL1  / TN 2 - TN 2'  

(2.2)

Quá trình truy n nhi t phụ thu c vào nhi
l

thu

l

hai môi ch

ng th i phụ

ng WN; WLvà nhi t dung riêng CN, CLcủa dị

c

l nh.
ơ

â

ằng nhi

ĩ :

Q = WNCN TN 2 - TN 2'  = WLCL TL1' - TL1 
e

Từ (3.1), (3.2) và (3.3) gi

l

(2.3)
ng nhi

ta có:

TN 2'  TN 2   TL1' - TL1 

:  e
V
l

kT A

WN CN



kT A

ế
ổ,l

(2.4)

WL CL

ầ
l

ị

ủ
l

l
ằ

ị
ổ

TL1 và TN 2 l

9

ú
l

l

l

ầ

ủ

ị

q

TN 2'

l

Câ
T e

ằ
ị

:
l

l

:

 qbv  qbr  q

 qnv  qnr  q

T

:

- qbv, qbr :

l

- qnv, qnr :

l

- q:

ị

ỏ
l

ế
ỏ

ị
ế

ị

l

 mi ci

dti
 mi 1ci 1 (ti 1  ti )  kT A(tl  ti )
d

(2.5)

mi  mi 1  m
ci  ci 1  c

G

ử
 mc



dti
 mc(ti 1  ti )  kT A(tl  ti )
d

dti
k A
 (ti 1  ti )  T (tl  ti )
d
mc

l



dti
 ti 1  ti   (tl  ti )
d

G

l

:

V

ơ

(2.6)
kT A
mc

(2.7)
â (2.7)

ủ

:
G(s) 

Kp
1s  1 2 s  1

(2.8)

ế

ị

10

mL .CL 20895* 4200

 1  K . A  2400*96.72  378.1


T
:
  mN .CN  21000*3800  343.8
 2 KT . A
2400*96.72

T

l

ế

V

ĩ

ủ
G(s) 

ế

, ằ

Van tuyến tính Samson có nhi m vụ
ở ầu ra của dịch bia. Tín hi
) A

ầ

(2.9)

r o ổi nhiệt t m t i nhà máy bia Dung Qu t.

Ô HÌNH THIẾT BỊ VAN ĐIỀU

(4 ÷

.

ị là:

40
378.1s  1343.8s  1

Hình 2.2:

nhi

p=40

l

HIỂN
u chỉnh góc mở van theo tín hi
u khi

ặt

ầu vào của van theo chuẩn

u khi n góc mở van từ (0 ÷ 100)%

11

ều khi n tuyến tính.

Hình 2.3:V
M

ế

í

ị

ầ l

í é

ổ

ò

ện

í é

í

í é

V

ổ

ủ

H m tru ền b c u ển ổ
B

ủ

í

: ( ÷ 5) /

ế ị

l

í nén

â

l
2

ò

ừ (4 ÷ 20)mA

.

ế

x

ị

 kg cm 2 
 max
50
K

 0.3125 

I max 20  4
 mA 

:
(2.10)

2.2.2. Hàm truyền của van:
Trong th c tế hàm truy n
nh t có trễ, l y gầ
G1 (s) 

T

ú

l

t củ
â q

c coi là khâu quán tính b t
í

c nh t

Kv
Tv s  1

(2.11)

:

- Kv là h s khuế
- Tv là th i gian củ

i của van
ng (3÷ 5) ,

ng l y Tv = 3s

12

ổi từ (0÷ 5)kg/cm2

Khi tín hi
)%,

x

s khuế
K1 

ị

:

100  0
 20
50

ổi từ 0 ÷

mở củ

%

l

l

q

s truy n của giữ l

từ 0 ÷ 208.95hl/h. Từ

ổi từ (0 ÷

mở củ

l

ổi

ng dị

ng qua

mở của van là:
K2 

208.95
 2.01
100

Kết h p hai hàm truy n ở trên ta có hàm truy
khí nén và tín hi
G1 (s) 

3

l l

l

t v i tín hi u vào là áp su t

c qua van:

Kv
40.01

Tv s  1 3s  1

(2.12)

Ô HÌNH THIẾT BỊ ĐO CẢ

C m biến nhi

của hãng Siemens g m hai phần nhi

dịch bia chuy
400)0C và b chuy
n trở thành tín hi

BIẾN NHIỆT ĐỘ

ổi thành tín hi

n trở RTD

n trở v i gi

ổi tín hi u (Transmitter) có nhi m vụ chuy
i u khi n dòng theo chuẩn (4 ÷ 20)mA.

Hình 2.4:Cảm biến nhiệ

ộ và bộ chuy

ổi transmister.

y, thiết bị này có hàm truy n là khâu quán tín b c nh t:

ừ (-200 ÷
ổi tín hi u

13

G2 ( s) 

T

:

K
Ts  1

l

K

(2.13)

s khuế

,

i của thiết bị

x

ị

I max
20  4
mA

 0.027( 0 )
Tmax 400  200
C

Th i gian trễ của thiết bị

:
(2.14)

ng trong kho ng (0.25ms ÷ 1s), ta ch n T =

1s
V y hàm truy n của thiết bị
G2 ( s) 

Từ (

), (

ng:

K
0.027

Ts  1 s  1

), (

)

(2.15)
ủ

h

l :

GDT (s)  K.G(s).G1 (s)

GDT ( s)  0.3125.

CHƯƠN
3

CƠ SỞ

(2.16)

40
40.01
.
 378.1s  1 343.8s  1 3s  1

3. Ý THU ẾT ĐIỀU

Ý THU ẾT BỘ ĐIỀU

(2.17)

HIỂN PID VÀ PID

Ờ

HIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU

HIỂN

Ờ
3

B

ều

ển PID

B

D

ử ụ

ã

l

ứ ,

ơ,
q
l

,
í

x

l
q

ỉ

ê
ế

,l
x
ủ

l ,

l

,

,
ứ

14

C

ã

DCS

ử ụ

í

í

l

V

D,

l

ỉl

,

,

D
ơ

í

â

ơ

e( ) ủ

ữ

( )

+ Td

hay u(t) = Kp e(t) + Ki∫
c bi u diễ

e

ơ

( )

3.1.3. Thiết kế và chỉn
a. Tổng hợp trực tiếp b
3.2. Ý THU ẾT ĐIỀU

toán học

ầ

v i thông s
tuyến cao, thông s

ịnh b

í

( )

ều khi n PID.

ều khiển PID.

ều khiển (DS-PID)

ơ

Ờ:
ã

i quyế

u khi n

ủ, tuy nhiên v i các h th ng phức t p, tính phi

ầu vào không chính xác hoặc thiế
ơ

)

ều khiển PID:

HIỂN PID

u khi n hi

( )

+ Kd

3.1.2. Nhiệm vụ và các giải pháp khi thiết kế b

h th ng bằ

()

sau:

Hình 3.1:

Lý thuyế

í

Dl :
u(t) = Kp (e(t) + ∫

Đ

q

rình toán h

ơ

ủ

bi u diễn
u khi n hi n

15

nay v n còn nhi u khuyế
thuyế

ãl

m. Chính nhữ
e

u khi n m i mô phỏ

ủ

x t hi n lý
l

i hay còn g

u

khi n bằng trí tu nhân t o.
ơ

u khi n này d

củ

ê

ặ
q

iv

này áp dụ

ế

m, hành vi và nh n thức
ị

u khi ,

ơ

ng h p thiếu thông tin hoặc thông tin v

ng không

chính xác.
Khái ni m logic m

c Zedeh nêu ra lầ

ầu vào 1965, từ

lý

ết m

c nghiên cứu và phát tri n không ngừng. Mặc dù còn nhi u tranh cãi v tính
chính xác, mứ

chặt chẽ của lý thuyế

u khi n và ph m vi ứng dụng ngày

của lý thuyết m gi i quyế
càng nhi

i s

ơ

u khi n này.

ã

3.2.1 T p ợp mờ Địn n

ứng cho s

mờ i

3.2.2. B
B
g i là b

ều

ú

ắ

m của

ĩ

ấ và đặ điểm ơ bản củ
b

ững ứng dụng

u khi n m

i

mờ:

mờ:

ển mờ

u khi

c xây d ng d

ê

ơ ở lý thuyế

u khi n m

c

u khi n m

a. Cấu trúc bộ điều khiển mờ:
B

u khi n m bao g m ba kh

thành và gi i m .

ơ

n: M

ầu vào, thiết bị h p

16

Hình 3.2:

khối bộ

ều khi n mờ.

Trong các kh i trên, kh i lu t m và kh i h p thành là b ph n chính của b
ê

u khi n. D
lu

,

u khi n nhằ
C u trúc m t b

m củ

c mụ
u khi n m

í
ơ

i thiết kế
n.

n bao g

Hình 3.3: C u trúc hệ thống sử dụng bộ
T
-

tri n khai các

â

ẽ 3.19

ều khi n mờ.

:
Giao di
l , í

ầu vào bao g m khâu m hóa và các khâu phụ tr khác (khâu tỉ
â ,

â …)

th c hi n

u khi n t

ng.

17

-

ơ ở lu
-

R

Thiết bị h p thành: Khâu tri n khai các lu t h

c xây d ng trên

u khi n.
ầu ra: G m khâu gi i m

Giao di

â

ế

ng

u khi n.
V c u trúc h th

u khi n m không khác so v i các h th
ng. S khác bi t ở â l

khi n t

ủ

theo các lu

u

u khi n m làm vi c

i, m t d ng của trí tu nhân t o.

b. Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ:
Nguyên tắc tổng h p m t b
h ,

ị

ĩ

u khi n m hoàn toàn d

ến ngôn ngữ

ơ

ê

ơ ở toán

l a ch n lu t

u khi n.
Quá trình xây d ng b

ặt ra là v

thỏa mãn các yêu cầ
m

ế

u khi n m

sát tính ổ

u khi n

ơ

u khi n

l

u khi , q

Không bao gi thiết kế b

của h

t s nguyên tắc tổng

u khi n m
u khi

gi i quyết v

ơ

u khi

khi n m

m củ

ơ

t n dụng nhữ

Đ i v i h th ng cầ

an toàn cao, vi c sử dụng b

x

l

ng và mụ

mà có th dễ

n. V i m t s

khi n có th kết h p giữ

B

q

u khi n m :

chế vì những yêu cầu v ch

-

n. Lý thuyết v

u khi n m , vì v

dàng th c hi n bằng các b

-

u khi n t t,

ững nguyên tắc chuẩn m c cho vi c thiết kế, kh o

ịnh, tính b n vững, ch

th ng sử dụng b

-

ơ

c nghiên cứu hoàn thi

khác, ngoài ra v

h pb

l

c ch

í

u
nv

u

u khi n m còn h n
ủa h th ng chỉ có th

ịnh thông qua th c nghi m.

u khi n m ph

c thiết kế và phát tri n thông qua th c nghi m.

Ngoài ra trong quá trình xây d ng các lu

u khi n m , cần t n dụng t i

18

ững hi u biết và kinh nghi m củ
các lu

u khi n t t nh t.

3.2.3 Các bước x

CHƯƠN

4.1. ĐIỀU

dựn b

4: ĐIỀU

ều

ển mờ

HIỂN PID VÀ PID

Ờ CHO ĐỐI TƯỢN

HIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢN :

Kết quả m p
+

i thiết kế v h th

n tr n m tl b s mul n :

ị

ặ

ổ:

1 Đ thị nhiệ
ổ

ị

ặ:

ộ ược

ều khi n bằng PID.

ra

19

2 Đ
4.2. ĐIỀU

b.

HIỂN PID

ều

B

ị

ệ

ổ

rị

ệ

ộ

Ờ CHO ĐỐI TƯỢN :

ển PID mờ

i

điề

ết quả m p

iể

n vớ b

ặ

ều

ển Fuzz _PID

ổ:

3 Đ thị nhiệ
+ Khi thay ổ

ộ

ặ:

ộ ược

ều khi n bằng Fuzzy-PID.

20

4Đ
ết quả m p

ị

ệ

ộ

n so sán

ược
ữ

ổ
b

ều

ề

ằ

ển PID vớ Fuzz _PID

5 Đ thị nhiệt ộ so sánh giữa hai bộ
Fuzzy_PID.

ều khi n bằng PID và

Nh n xét: Từ
thị hình 4.17 ta th y b
u khi
D
q
u chỉnh

l
ơ
t nhi u so v i b
u khi n PID m và th i gian xác l p của b
u
khi
D ũ lâ ơ
u so v i b
u khi n PID m .

21

ết quả m p
t

n so sán

ổ n ệt

c

6 Đ thị nhiệ
N

ữ

nhanh.

q

ã

ển PID vớ Fuzz _PID khi

ộ so sánh giữa hai bộ ều khi n bằng PID và Fuzzy-PID
ổi các giá trị nhiệt ộ c
t.
ổ

ầ

D

ều

ặt:

n xét:

ê

b

ứ

D

ỉ

ứ

q

ứ
B

ỉ

x

l

22

7 Đ thị giá trị e

Kp, K , Kd

ổi nhiệ

ộc

t.

4.3. NHẬN XÉT CHUNG:
-Đ

ứng nhi

bằng b

D

u khi

ơ b

u chỉ

u khi n Fuzzy-PID.
- Th i gian xác l p nhi

bằng b

D lâ

u khi

ơ b

u khi n

Fuzzy-PID.
- Sai s xác l p trong b
ổi v nhi

ng nhi

bằng b

u khi n Fuzzy-PID t

ơ b

ặt trong quá trình ho

u khi n Fuzzy-PID t

ơ

u khi n PID.
ng, mứ

u so v i bằng b

dao
u

khi n PID.
- Sai s xác l p trong b
và nhỏ ơ

0

C

u khi n Fuzzy-PID t

ơ

u khi n PID

23

ều khiển PID:

4.3.1. B

ần b

- Trong công nghi p s n xu t
nhu cầu phần l

D

u khi

u khi n quá trình, và th c tế

ứ

c

c sử dụng r ng rãi trong

các nhà máy s n xu t công nghi p hi n nay.
-Đ q

u chỉnh trong