Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******************&&&******************
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên: Dƣơng Mạnh Hòa
Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Võ Quang Vinh
2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………… 50
2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn…………………… 51
2.2.7 Phương pháp điều khiển . . . . .…….……………… 52
2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại 53
2.3.1 Phương pháp điều khiển thích nghi 53
2.3.1.1Khái niệm chung của hệ thống điều khiển thích nghi . 53
2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp . 55
2.3.1.3 Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh . 59
2.3.2 Phương pháp điều khiển mờ 61
2.3.2.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 62
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh 64
2.3.2.3. Bộ điều khiển mờ động 64
2.3.2.4. Hệ điều khiển mờ lai F-PID 67
2.4. kết luận 69
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia
nhiệt 71
Đặt vấn đề 71
3.1Đối tượng 71
3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống 72
Chương 4. Mô phỏng hệ thống 86
Kết luận 89
Tài liệu tham khảo 90
DANH MỤC HÌNH VẼ
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3
Hình 2.10 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ
Hình2.11 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu
Hình 2.12 hai cấu trúc của điều khiển tầng
Hình 2.13 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi.
Hình 2.14 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp.
Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp .
Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn
Hình 2.17 Hệ thông điều khiển thích nghi tự chỉnh.
Hình 2.18 sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.
Hình 2.19 Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hình 2.20 Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Hình 2.21 Hệ điều khiển mờ PID
Hình 2.22 Các vùng tác động của FLC và PID.
Hình 2.23 vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình
gia nhiệt
Hình 3.1 Mụ hỡnh hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.3 Cấu trúc van nước lạnh
Hình 3.4 Cấu trúc van nước nóng
Hình 3.5 Khâu lưu tốc đặt trước
Hình 3.6 Khâu nhệt độ đặt trước
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Hình 4.1 Lưu tốc dòng nước
Hình 4.2 Nhiệt độ bồn nước
Hình 4.3 Van nước lạnh
hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động. Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu
dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản
xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản
xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. Sức ép
giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả
năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những
thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặt ra
những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ
sư thiết kế điều khiển. nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết
bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện
thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị
điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế
hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất
nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới Vì vậy việc nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là
một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết.
Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển
hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích
nghiên cứu như sau:
1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển
quá trình gia nhiệt
2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu
tốc bồn nước
Dương Mạnh Hoà
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng
hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn.
Học viên
Dương Mạnh Hoà
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
10 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chương1: mở đầu
Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều
khiển thường gặp khó khăn vì:
- Hệ thống có thông số rải.
- Trong quá trình hoạt động, không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn
đến hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi.
- Tính phi tuyến cũng như tính tương tác rất lớn.
1.1.2 Các tính chất cơ bản của điều khiển quá trình
Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản được đặt ra là phải
nghiên cứu được tính chất của quá trình (đối tượng điều khiển). Các thông tin về
quá trình thu thập được càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự
động càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao. Việc
nghiên cứu quá trình phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy
ra trong quá trình. Các hiện tượng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng
lượng chảy vào E
1
và chảy ra E
0
từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của
quá trình. Khi E
1
= E
0
các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng,
quá trình ở trạng thái cân bằng. Khi E
1
E
0
sẽ tồn tại sự vận động trong môi
trường hoạt động của quá trình. Giá trị E = E
-
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
12 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính
dung lượng và tính tự cân bằng. Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính
là nghiên cứu các tính chất của nó.
a. Tính dung lượng
Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trường hoạt
động, dự trữ nó trong lòng. Khả năng đó được gọi là khả năng tích luỹ của quá
trình hay còn gọi là dung lượng của quá trình. Quá trình có dung lượng càng nhỏ
thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân
bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp.
Ngược lại dung lượng của quá trình càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lượng
cần điều chỉnh càng nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản.
b. Tính tự cân bằng
Tính tự cân bằng là khả năng của quá trình sau khi có nhiễu tác động phá
vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng
mà không tĩnh. Quá trình không có tính tự cân bằng được gọi là quá trình phi
tĩnh.
c. Mô tả đặc tính động học của quá trình
Là một phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc tính
động học của quá trình (đối tượng điều khiển) cần được xác định tường minh
dưới dạng mô tả toán học (ngoại trừ trường hợp điều khiển mờ thì đối tượng
không nhất thiết phải được mô tả tường minh dưới dạng toán học).
Đối với các quá trình phức tạp, đây là đặc trưng của các quá trình trong
công nghiệp, việc xác định mô tả toán học của nó không thể tiến hành theo
0 1 m 1
0
n n 1
0 1 n 1
b s b s b s 1
G (s) víi m n
a s a s b s 1
Quá trình gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: Khâu trễ có hàm truyền đạt
P
s
e
và khâu tĩnh có hàm truyền đạt K.G
0
(s).
Trong thực tế khâu tĩnh có thể được lấy gần đúng một trong 4 dạng sau:
khâu quán tính bậc nhất, khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu bậc hai và bậc hai
có trễ.
- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất có trễ thì quá trình được mô tả
bằng hàm truyền đạt dạng:
P
( )s
P
P
P
K
G (s) e
1s
Trong đó: được gọi là trễ dung lượng.
- Khâu tĩnh có hàm bậc hai và bậc hai có trễ thường ít gặp hơn trong các
bài toán điều khiển.
* Quá trình không có tính tự cân bằng
Quá trình mà trong cấu trúc của nó có thành phần tích phân thì sẽ không
có tính tự cân bằng. Hàm quá độ của nó tiến xa vô cùng. Hàm truyền đạt của các
quá trình không có tính tự cân bằng được mô tả dưới dạng tổng quát như sau:
P
s
P P 0
1
G (s) K .G (s).e
G
0
(s).K
P
p
s
e
G
P
(s)
Process
Hình 1.4: Hà m truyền của quá trình không có tính tự
cân bằng
1
s
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
15 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trong thực tế hàm truyền đạt của quá trình không có tính tự cân bằng
được mô tả gần đúng bằng một trong 4 dạng sau:
- Khâu tích phân đơn thuần:
P
P
s
P
P
P
K
G (s) e
(1 s)s
1.2. cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Hình 1.5 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
1.2.1. Cơ cấu chấp hành
1.2.1.1. Van
*Van tiết lưu:
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
16 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Là van điều khiển lưu lượng được minh hoạ trên hình 1.4. Đây là một
dạng van kim với đầu côn để có thể điều chỉnh được lưu lượng đi đến xi lanh
hay động cơ thuỷ lực. Chính vì vậy có thể điều khiển được tốc độ của xilanh
thuỷ lực. Nhược điểm của van này là khi tải tăng, tốc độ của pittông trong xilanh
giảm làm cho áp tăng. Chênh lệch áp từ bơm và đầu ra của van kim giảm dẫn
đến lưu lượng giảm. Để giữ cho tốc độ pittông không đổi phải tăng áp của bơm.
thng t iu chnh cú th t v trớ chớnh xỏc v t tc yờu cu. Van
servo cú hai tng (hỡnh 1.7). Tng th nht l van lỏi hng dũng cht lng n
con trt. Chuyn ng ca con trt chớnh c iu khin bi mụmen kộo do
c cu quay gn vi con trt sinh ra. C cu quay cú th c ni vi tm chn
úng hay m cỏc ca, lm cho ỏp lc y con trt thay i v trớ theo tớn
hiu iu khin. i vi van servo tm chn v van servo vũi phun thỡ lu lng
qua van t l vi ỏp sut ra.
A
P
P B
Con tr-ợt điều khiển
Con tr-ợt chính
Cơ cấu đẩy kéo
Hỡnh 1.8 mụ t cu to ca van servo tm chn. Tm chn nm gia hai
vũi phun gn vi hai ng cp du vo con trt chớnh. Khi c cu kộo y y
tm chn v phớa no thỡ ỏp lc phớa y tng lờn, y con trt v phớa ỏp thp.
Khi van v trớ khụng lm vic thỡ hai vũi phun y tm chn v v trớ cõn bng.
Vũi phun
Tm chn
Hỡnh1.8: Van servo tm chn
1.2.2. Các cảm biến:
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
19 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến
của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được
gọi là cảm biến (sensor).
1.2.2.1. Các cảm biến đo nhiệt độ
* Cặp nhiệt điện
Là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện dựa
trên hiện tượng nhiệt điện. Khi có sự chênh lệch nhiệt điện ở hai đầu nối của hai
dây dẫn bằng kim loại khác nhau làm xuất hiện một sức điện động. Nhiệt độ
tăng làm tăng sức điện động (điện áp) ra trên cặp kim loại cấu tạo nên nó. Để
thuận tiện cho người sử dụng các cặp nhiệt điện được chế tạo sẵn dưới dạng các
can nhiệt điện. Miền đo của can nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Đối
với can nhiệt đồng/vàng-côban có thể đo được từ -
270
0
C đến 2700
định, cách xa các bề mặt được đốt nóng. Thông thường đầu tự do của cặp nhiệt
điện phải đưa về phòng điều khiển trung tâm để ghép nối với thiết bị đo qua dây
dẫn bù.
Sơ đồ hệ thống nối cặp nhiệt điện với thiết bị đo trong công nghiệp:
* Nhiệt điện trở (Thermistor)
Là loại cảm biến nhiệt độ mà khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Nhiệt
điện trở có độ phân giải cao hơn độ phân giải của điện trở kim loại khoảng 10
lần. Các nhiệt điện trở thông thường được chế tạo từ các ôxit bán dẫn đa tinh thể.
Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -273
0
C đến 300
0
C.
1.2.2.2. Các cảm biến đo áp suất và lưu lượng
* Cảm biến đo áp suất
Đo áp suất là đo lực tác dụng trong môi trường đàn hồi. Các cảm biến áp
suất đo chênh lệch áp suất giữa hai vùng kế cận nhau. Thường là một môi trường
TBĐ
CNĐ
Dây dẫn bù
t
0
t
A
B
e
Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo.
Vai trò cảm biến đo là nhận tín hiệu áp suất P và chuyển đổi sang dạng tín hiệu
khác. Phần lớn các cảm biến đo áp suất đều có tín hiệu ra dưới dạng dịch chuyển
cơ học. Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang dạng
tín hiệu điện hay tín hiệu áp suất khí nén để truyền về cho thiết bị chỉ thị đo
thường đặt ở phòng điều khiển trung tâm.
* Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi
Một trong những phương pháp khá phổ biến để đo lưu lượng dịch thể chất
khí và hơi quá nhiệt chảy trong đường ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu
hẹp. Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, được đặt trong đường ống tạo
Cảm biến đo
Chuyển đổi
đo
Chỉ thị đo
p
u
n
Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
22 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
nên điểm thắt dòng chảy cục bộ trong đường ống dẫn. Như vậy tại vị trí đặt thiết
bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy tăng lên. Động năng tăng sẽ dẫn đến thế năng
23 Dng Mnh Ho
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
cm bin chu bin dng kộo cú cựng in tr (R - R) v hai cm bin cũn li
chu bin dng nộn cú cựng in tr (R - R). Load cell c ch to rt nhiu
loi vi nhng gii hn khỏc nhau. Trong gii hn lm vic c tớnh ca load
cell c xem l tuyn tớnh. Khi s dng load cell cn phi bit gii hn o, cỏc
iu kin lm vic, in ỏp ngun cung cp v nhy ca load cell.
1.3 c im iu khin quỏ trỡnh gia nhit
Quỏ trỡnh gia nhit l mt bi toỏn tiờu biu ca iu khin quỏ trỡnh . c ng
dng rng rói trong cỏc nh mỏy hoỏ cht , cụng ngh thc phm ung vv . Minh ha sỏch lc iu khin qúa trình gia nhit . Nhit ra ca dũng
quỏ trỡnh c thit b o v chuyn i a ti b iu khin nhit . Da
vo sai lch gia giỏ tr t v nhit o c, b iu khin a ra tớn hiu
iu chnh b m van cp nc qua ú iu chnh li nhit ra. Nguyờn lý
iu khin quá trình gia nhiệt c gii thớch mt cỏch s lc nh sau. Gi s
vỡ mt lý do no ú m nhit ra o c nh hn giỏ tr t, vớ d o giỏ tr
t hoc lu lng dũng quỏ trỡnh tng lờn, b iu khin s a ra tớn hiu iu
khin tng lu lng hi nc. Thut toỏn iu khin n gin nht l a ra
tỏc ng iu khin t l vi sai lch quan sỏt c :
)(
2
TTk
SPcs
quá trình một cách tối ưu nhất .Vấn đề này sẽ được giả quyết trong chương 2
Copyright: Tài liệu đại học ©