Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 15
1.1. Đặt vấn đề 15
1.2.1. Nội dung thực hiện 16
1.2.2. Kết quả đạt được 17
Sau khi tiến hành nhận dạng theo từng phương pháp với bậc của các mô hình khác
nhau, ta thu được kết quả tốt nhất như sau: Đối với mô hình nhiệt độ, theo phương
pháp PEM với mô hình ARMAX thu được mô hình đa thức bậc 2, độ fit là 92.4% .
Đối với mô hình áp suất, theo phương pháp PEM với mô hình hàm truyền bậc 3,
độ fit là 78.5% 17
1.3. Nội dung đồ án 17
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG 18
2.1. Sơ lược về vấn đề nhận dạng 18
2.1.1. Tổng quan về phương pháp 18
2.1.2. Các bước tiến hành nhận dạng 20
2.1.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng 21
Theo dạng mô hình sử dụng 21
Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động 21
Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín 22
Nhận dạng gián tiếp và trực tiếp 23
Nhận dạng trực tuyến (online) và ngoại tuyến (offline) 23
Thuật toán ước lượng mô hình 24
2.1.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình 24
2.2. Các phương pháp ước lượng mô hình 24
2.2.1. Nhận dạng mô hình đáp ứng tần số 25
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 1
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
Hình 2.1. Đáp ứng tần số của hệ thống 25
2.2.1.1 Phương pháp phân tích Fourier ( ETFE) 26
2.2.1.2.Phương pháp phân tích phổ 29

Hình 2.19. Kết quả ước lương (*) theo mô hình ARMAX khi đầu ra chịu tác động
của nhiễu 59
Hình 2.20. Kết quả ước lương (*) theo mô hình hàm truyền đạt khi đầu ra chịu tác
động của nhiễu 60
CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG LÒ HƠI 62
Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo của lò hơi 62
3.2. Giải pháp điều khiển đang được sử dụng 63
3.2.1. Điều khiển mức nước trong bao hơi 64
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi 65
3.2.2. Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt 65
3.2.3. Áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra 66
3.2.4. Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa 67
3.3. Thu thập số liệu 70
3.3.1. Vòng điều khiển nhiệt độ 70
3.3.2. Vòng điều khiển áp suất 71
CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LÒ HƠI 73
4.1. Xử lý số liệu trước khi nhận dạng 73
Hình 4.1a. Đồ thị nhiệt độ khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 76
Hình 4.1b. Đồ thị nhiệt độ sau khi loại bỏ giá trị trung bình 76
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 3
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
Hình 4.2a. Đồ thị áp suất khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 77
Hình 4.2b. Đồ thị áp suất hơi quá nhiệt sau khi loại bỏ giá trị trung bình 77
4.2. Kết quả nhận dạng cho mô hình nhiệt độ 78
Hình 4.3. Mô hình nhận dạng nhiệt độ 78
4.2.1. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp dựa trên đáp ứng trên
miền tần số 78
Hình 4.4. Phổ tần số của các biến vào trong mô hình nhiệt độ 79
Hình 4.5a. Đáp ứng tần số của nhiệt độ ứng với biến vào lưu lượng nhiên liệu 80
Hình 4.5b. Đáp ứng tần số của nhiệt độ với biến vào lưu lượng nước làm mát 81

with Kp = 0.0033078 97
Tw = 58.759 97
Zeta = 2.4964 97
Td = 0
97
Kp 97
G_2(s) = * exp(-Td*s) 97
1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2
97
with Kp = -2.8342 97
Tw = 9.424 97
Zeta = 3.4828 97
Td = 18.152
98
Kp 98
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 5
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
G_3(s) = * exp(-Td*s) 98
1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2
98
with Kp = 0.00019435 98
Tw = 9.4162 98
Zeta = 8.4444 98
Td = 14.227
98
Estimated using PEM using SearchMethod = Auto from data set z 98
Loss function 0.00212907 and FPE 0.00215462 98
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 103
5.2. Các dạng mô hình sử dụng 103
5.3. Chất lượng mô hình nhận được 104

C Controller T Temperature/Transmitter
F Flow V Valve
I Indicator PV Process value
L Level CPV Calculated Process value
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 8
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
DANH MỤC HÌNH
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 15
1.1. Đặt vấn đề 15
1.2.1. Nội dung thực hiện 16
1.2.2. Kết quả đạt được 17
Sau khi tiến hành nhận dạng theo từng phương pháp với bậc của các mô hình khác
nhau, ta thu được kết quả tốt nhất như sau: Đối với mô hình nhiệt độ, theo phương
pháp PEM với mô hình ARMAX thu được mô hình đa thức bậc 2, độ fit là 92.4% .
Đối với mô hình áp suất, theo phương pháp PEM với mô hình hàm truyền bậc 3,
độ fit là 78.5% 17
1.3. Nội dung đồ án 17
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG 18
2.1. Sơ lược về vấn đề nhận dạng 18
2.1.1. Tổng quan về phương pháp 18
2.1.2. Các bước tiến hành nhận dạng 20
2.1.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng 21
2.1.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình 24
2.2. Các phương pháp ước lượng mô hình 24
2.2.1. Nhận dạng mô hình đáp ứng tần số 25
Hình 2.1. Đáp ứng tần số của hệ thống 25
2.2.1.1 Phương pháp phân tích Fourier ( ETFE) 26
2.2.1.2.Phương pháp phân tích phổ 29
Hình 2.2. Đồ thị tín hiệu u1 34
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 9

Hình 2.19. Kết quả ước lương (*) theo mô hình ARMAX khi đầu ra chịu tác động
của nhiễu 59
Hình 2.20. Kết quả ước lương (*) theo mô hình hàm truyền đạt khi đầu ra chịu tác
động của nhiễu 60
CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG LÒ HƠI 62
Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo của lò hơi 62
3.2. Giải pháp điều khiển đang được sử dụng 63
3.2.1. Điều khiển mức nước trong bao hơi 64
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi 65
3.2.2. Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt 65
3.2.3. Áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra 66
3.2.4. Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa 67
3.3. Thu thập số liệu 70
3.3.1. Vòng điều khiển nhiệt độ 70
3.3.2. Vòng điều khiển áp suất 71
CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LÒ HƠI 73
4.1. Xử lý số liệu trước khi nhận dạng 73
Hình 4.1a. Đồ thị nhiệt độ khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 76
Hình 4.1b. Đồ thị nhiệt độ sau khi loại bỏ giá trị trung bình 76
Hình 4.2a. Đồ thị áp suất khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 77
Hình 4.2b. Đồ thị áp suất hơi quá nhiệt sau khi loại bỏ giá trị trung bình 77
4.2. Kết quả nhận dạng cho mô hình nhiệt độ 78
Hình 4.3. Mô hình nhận dạng nhiệt độ 78
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 11
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
4.2.1. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp dựa trên đáp ứng trên
miền tần số 78
Hình 4.4. Phổ tần số của các biến vào trong mô hình nhiệt độ 79
Hình 4.5a. Đáp ứng tần số của nhiệt độ ứng với biến vào lưu lượng nhiên liệu 80
Hình 4.5b. Đáp ứng tần số của nhiệt độ với biến vào lưu lượng nước làm mát 81

with Kp = 0.0033078 97
Tw = 58.759 97
Zeta = 2.4964 97
Td = 0
97
Kp 97
G_2(s) = * exp(-Td*s) 97
1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2
97
with Kp = -2.8342 97
Tw = 9.424 97
Zeta = 3.4828 97
Td = 18.152
98
Kp 98
G_3(s) = * exp(-Td*s) 98
1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2
98
with Kp = 0.00019435 98
Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 13
Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín
Tw = 9.4162 98
Zeta = 8.4444 98
Td = 14.227
98
Estimated using PEM using SearchMethod = Auto from data set z 98
Loss function 0.00212907 and FPE 0.00215462 98
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 103
5.2. Các dạng mô hình sử dụng 103
5.3. Chất lượng mô hình nhận được 104

hay độ “fit” còn tương đối thấp. Cụ thể là đối với mô hình nhiệt độ bậc của đa thức A
là 80, đa thức B1 là 52, đa thức B2 là 179, đa thức B3 là 139 và độ fit là 67.4%, với
mô hình áp suất bậc bậc của đa thức A là 20, bậc của đa thức B1 là 377, bậc của đa
thức B2 là 14 và độ fit là 58.72%. Kết quả này khó có thể sử dụng cho mục đích thiết
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
kế điều khiển. Có thể nói, kết quả mô hình nhận được chưa được tốt nằm ở việc lựa
chọn cấu trúc mô hình cũng như phương pháp nhận dạng chưa hoàn toàn phù hợp với
đối tượng. Lí do là trong mô hình ARX chưa biểu diễn được mô hình của nhiễu, mà
mô hình thực lại chịu ảnh hưởng của nhiễu, hơn nữa phương pháp LSE lại cho kết
quả không sát thực nếu nhiễu có tương quan với biến vào.
Trên cơ sở nhận định này, đồ án nghiên cứu lựa chọn và áp dụng các cấu trúc
mô hình cũng như phương pháp phù hợp để xác định mô hình toán học cho đối
tượng phục vụ mục đích tổng hợp bộ điều khiển. Mục tiêu đồ án đặt ra là xây dựng
được mô hình động học bậc thấp cho lò hơi dựa trên bộ số liệu thu được trong tài liệu
[1] theo 3 phương pháp, với chất lượng mô hình khi kiểm chứng đạt được độ fit tốt
và bậc của mô hình thấp. Từ đó đưa ra những nhận xét đánh giá cho từng phương
pháp, và so sánh giữa các phương pháp với nhau.
1.2. Nội dung thực hiện và kết quả đạt được
1.2.1. Nội dung thực hiện
Để xây dựng được mô hình động học bậc thấp cho lò hơi trên cơ sở bộ số liệu có
sẵn, nhóm thực hiện đồ án đã tiến hành thực hiện theo các bước như sau:
1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp nhận dạng trong vòng kín, cụ
thể là các phương pháp trên miền tần số bao gồm phương pháp phân tích Fourier,
phân tích phổ; phương pháp bình phương tối thiểu (LSE); phương pháp sai số dự báo
(PEM). Sau đó tiến hành ước lượng cho một mô hình đơn giản sử dụng các phương
pháp trên, từ đó rút ra những đánh giá nhận xét cho từng phương pháp.
2. Nghiên cứu khai thác sử dụng các tập lệnh, và guide trong công cụ Matlab
Identification Toolbox để ước lượng các tham số của mô hình đa thức.
3. Tìm hiểu quá trình công nghệ và phân tích cấu trúc điều khiển hiện tại của lò
hơi. Từ đó làm rõ các biến vào ra của quá trình cũng như tương quan giữa các biến

2.1.1. Tổng quan về phương pháp
Hầu hết các phương pháp điều khiển đều dựa trên mô hình của đối tượng. Mô
hình này có thể là mô hình lý thuyết hoặc là mô hình thực nghiệm. Các quá trình
công nghiệp thường rất phức tạp, vì vậy hầu như không thể xây dựng được một mô
hình hoàn hảo đủ sức phản ánh đầy đủ hết đặc tính của hệ thống. Do vậy, mô hình
cần phải đảm bảo đơn giản nhưng vẫn đủ chi tiết cần thiết. Việc xác định mức độ về
yêu cầu đơn giản mà vẫn đầy đủ phụ thuộc vào ba yếu tố sau:
i .Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình.
ii. Công sức và chi phí tiến hành mô hình hóa.
iii. Độ tin cậy của thông tin có được về quá trình.
Về nguyên tắc có hai phương pháp xây dựng mô hình toán học cho quá trình:
• Mô hình hóa lý thuyết (hay còn gọi là mô hình hóa vật lý): phương pháp này
đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật
của thiết bị (bồn chứa, tháp phản ứng, kích thước đường ống…) để xác định giá trị
của các tham số. Mô hình này là một hệ các phương trình vi phân và phương trình
đại số.
• Mô hình hóa thực nghiệm (còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng
quá trình): phương pháp này dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín
hiệu vào ra và phân tích số liệu thu được để xác định mô hình.
Phương pháp lý thuyết có ưu điểm cho ta hiểu sâu hơn về các quan hệ vật lý,
hóa học giữa các đại lượng bên trong quá trình, từ đó ta xác định được cấu trúc mô
hình. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình lý thuyết đòi hỏi người lập mô hình phải có
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
nhiều kinh nghiệm và có kiến thức sâu rộng về các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh
học. Bên cạnh đấy, mô hình lý thuyết thu được chỉ phản ánh được đặc tính động học
của quá trình công nghệ mà bỏ qua đi đặc tính của thiết bị đo và cơ cấu chấp hành.
Việc xác định chính xác các tham số dựa vào thông tin của thiết bị là khó thực hiện.
Điều này làm giảm đi tính chính xác và tính đầy đủ của mô hình lý thuyết. Do vậy,
mô hình lý thuyết rất có ích trong việc khảo sát đặc tính động học, xác định cấu trúc
mô hình, thiết kế sách lược điều khiển nhưng ít phù hợp cho việc xác định các tham

loop), nhận dạng chủ động/bị động. Đồng thời quyết định thuật toán ước lượng
tham số và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mô hình.
3. Thu thập số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào ra: trên cơ sở phân tích
và chọn lựa phương pháp ở hai bước trên, cần phải thu thập dữ liệu làm sao để thỏa
mãn được mối quan hệ vào ra giữa các biến. Bên cạnh đấy cần xử lý thô các số liệu
nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4. Xác định dạng và cấu trúc mô hình: Kết hợp yêu cầu về mục đích sử dụng
mô hình và khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng đã chọn để xác định
dạng mô hình (phi tuyến/tuyến tính, liên tục /gián đoạn…). Từ đó ta đưa ra giả thiết
ban đầu về cấu trúc mô hình (bậc tử số, mẫu số của hàm truyền đạt, có hay không
có trễ, ).
5. Xác định tham số mô hình: theo phương pháp, thuật toán đã lựa chọn. Nếu ta
tiến hành theo từng mô hình con (ví dụ từng kênh vào ra, từng khâu trong quá trình)
thì sau đó cần kết hợp chúng lại thành một mô hình tổng thể. Công cụ thực hiện có
thể sử dụng các phần mềm như Matlab, Maple,…hay các ngôn ngữ lập trình bất kì
như C, Pascal, Delphi,…
6. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình: thông thường sau khi tính toán
được bộ tham số và thiết lập được mô hình ta cần phải thực hiện mô phỏng để kiểm
chứng độ chính xác. Việc kiểm chứng thông thường được thực hiện bằng việc sử
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
dụng mô hình để mô phỏng dữ liệu vào ra, kết quả thu được sẽ đem so với bộ dữ
liệu vào ra thu thập được từ thực nghiệm. Dữ liệu thực tế dùng để kiểm chứng phải
là bộ dữ liệu khác với bộ dữ liệu dùng để tính toán thiết lập mô hình. Nếu kết quả
không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 4. Còn nếu kết quả không tốt do bộ dữ
liệu không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 3.
2.1.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng
Các phương pháp nhận dạng vô cùng phong phú, vì thế trong khuôn khổ đề tài
ta khó có thể đưa ra một cái nhìn tổng quan phù hợp. Tuy nhiên, ta có thể phân loại
các phương pháp từ nhiều góc nhìn khác nhau:
Theo dạng mô hình sử dụng

thay đổi nhỏ đến các thông số vận hành để thu thập dữ liệu mà không ảnh hưởng
nhiều đến quá trình công nghệ. Tuy nhiên, thực hiện nhận dạng bị động chịu ảnh
hưởng khá lớn của nhiễu và sai lệch của thiết bị đo. Hai yếu tố này ảnh hưởng lớn
đến chất lượng dữ liệu thu thập được.
Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín
Từ phân tích ở phần trên (nhận dạng chủ động và bị động) ta có thể thấy rằng
dữ liệu thu thập được hoặc trong vòng điều khiển hoặc khi hệ thống bị cách li khỏi
vòng điều khiển. Từ đó ta phân loại ra nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín.
Nhận dạng vòng hở được thực hiện khi vòng điều khiển phản hồi bị cách ly ra khỏi
quá trình công nghệ. Bộ điều khiển chỉ thực hiện thay đổi giá trị biến điều khiển
(MV) tác động vào quá trình. Ta cũng có thể thực hiện thay đổi biến đầu vào của
quá trình công nghệ bằng cách thay đổi giá trị biến ra của phân đoạn trước đó. Thực
tế, phương pháp này làm cho việc vận hành quá trình công nghệ không thể đảm bảo
ổn định và duy trì được chất lượng. Do đó đối với những quá trình công nghệ có
mức độ quan trọng cao và nhạy cảm, cần phải thực hiện nhận dạng vòng kín, tức là
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
thu thập dữ liệu trong khi hệ thống vẫn làm việc ổn định dưới sự điều khiển của các
vòng điều khiển.
Nhận dạng gián tiếp và trực tiếp
Nhận dạng trực tiếp là thực hiện nhận dạng dựa trên dữ liệu thu thập là giá trị
các biến vào và biến ra của hệ thống mà không cần quan tâm đến thông tin của bộ
điều khiển. Từ bộ dữ liệu thu được ta có thể tính ra trực tiếp được mô hình của quá
trình. Phương pháp nhận dạng trực tiếp có ưu điểm là không cần thông tin chính xác
về bộ điều khiển và có thể cho độ chính xác cao nếu chọn được phương pháp nhận
dạng phù hợp. Tuy nhiên, nếu dữ liệu thu thập chịu ảnh hưởng của nhiễu mà nhiễu
này có tương quan với dữ liệu đầu vào sẽ làm ảnh hưởng đến tính nhất quán và sự
hội tụ của phương pháp.
Nhận dạng gián tiếp là thực hiện nhận dạng dựa trên bộ dữ liệu thu thập được
ở đầu vào và đầu ra của hệ thống bao gồm quá trình công nghệ và bộ điều khiển
(hay nói cách khác là thu thập dữ liệu trong lúc bộ điều khiển vẫn đang hoạt động

y
để đánh giá chất lượng
của mô hình:
( )
∑
=
−=
N
k
kk
yy
N
1
2
ˆ
1
ε
Với N là số lần trích mẫu của tín hiệu,
k
y
là giá trị đầu ra thực ở thời điểm
trích mẫu thứ k và
k
y
ˆ
là giá trị đầu ra thu được từ việc mô phỏng tín hiệu của mô
hình đã nhận dạng. Tín hiệu vào thường được lấy ở dạng bậc thang, tuy nhiên dạng
tín hiệu khác cũng có thể được sử dụng. Một điều cần đặc biệt lưu ý là tập số liệu
dùng để kiểm chứng mô hình phải khác với số liệu ban đầu dùng cho ước lượng mô
hình.