Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN SỞ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN
ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO
HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

THÁI NGUYÊN – 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


i
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lưu Văn Sở
Sinh ngày: 10 tháng 01 năm 1978
Học viên lớp cao học Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - khoá 15 - Trường
Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Hà Giang - Thành Phố Hà
Giang - Tỉnh Hà Giang.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của
giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn Lưu Văn Sở

iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
vi
Danh mục các bảng biểu
viii
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
ix
MỞ ĐẦU
1
NỘI DUNG
3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH
BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
3
1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 3
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3

1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
4
1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
6
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi 6

Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ
ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI
39
3.1. Tổng quan bộ điều khiển PID
39
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 40
3.1.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 40
3.1.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 41
3.1.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 42
3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 42
3.1.2.1. Nguyên tắc thiết kế 43
3.1.2.2. Phương pháp tối ưu modul 43
3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng 44
3.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 45
3.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 47
3.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink 47
3.3.2. Các kết quả mô phỏng 47
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 48 v
3.4.1. Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 48
3.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 50
3.4.3. Các kết quả thực nghiệm 55
3.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng 56
3.5. Kết luận chương 3 56
Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ PID
57

STT

Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
1 CO Tín hiệu điều khiển
2 MV Biến điều khiển
3 CV Biến được điều khiển
4 PM Tín hiệu đo
5 W
H
Hàm truyền đạt
6 K Hệ số khuếch đại đầu ra
7 k
I
,  Các hệ số khuếch đại đầu vào
8 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
9 MIMO
Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
10 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.
11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.
vii

Các chữ viết tắt
STT

Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
12 QTCN
Mức nước cấp bình bao hơi

viiiDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang
Bảng 1.1 Quá trình sinh hơi 7
Bảng 1.2 Cấu tạo các bộ phận chính của lò hơi có bao hơi đốt phun 9
Bảng 3.1 Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 51
Bảng 4.1

Luật chỉnh định K
p

67
Bảng 4.2

Luật chỉnh định K
D

68

Hình 1.4 Các bộ phận chính của lò hơi đốta than phun 8
Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi 10
Hình 1.6 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi 13
Hình 2.1
MH NMTĐ tại trung tâm TN của trường ĐH kỹ thuật công
nghiệp
22
Hình 2.2 Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 22
Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình 23
Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 24
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 26
Hình 2.6 Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén 27
Hình 2.7 Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển 28
Hình 2.8 Bao hơi nhà máy nhiệt điện 31
Hình 2.9
Hệ thống lọc khí, hầm nước và bơm cấp nước
32
Hình 2.10
Cơ cấu đo và hiển thị mức nước dùng ống kính
33
Hình 2.11
Đặc tính động của mức nước bình bao hơi khi thay đổi lưu
lượng nước cấp
35
Hình 2.12
Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp
36
Hình 2.13
Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu
37

Hình 3.10 Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 48
Hình 3.11 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 49
Hình 3.12 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 49
Hình 3.13 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 80% 54
Hình 3.14
Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp
từ 80% xuống 60%
54
Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 57
Hình 4.2 Phương pháp giải mờ cực đại 58
Hình 4.3 Phương pháp trọng tâm 59
Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 62
Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 63
Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 63
Hình 4.7 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 63
Hình 4.8
Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
64
Hình 4.9 Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển 64
Hình 4.10 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 65
Hình 4.11 Bên trong bộ điều chỉnh mờ 66
Hình 4.12 Tập mờ e và e’ 67
Hình 4.13 Tập mờ  67 xi
Hình 4.14 Tập mờ K
p
và K
D

gian phục vụ lâu, các hệ thống điều khiển thường là thế hệ cũ hoặc do thời gian nên bị
hỏng, cần thiết phải thiết kế mới cũng như áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để
cải thiện chất lượng.
Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như về thiết bị thí
nghiệm nên em chỉ có thể quan tâm đến một phần của hệ thống điều khiển mức nước
bao hơi.
Xuất phát từ thực tiễn đó nên em đã chọn đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh PID
để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải
thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao
hơi nhà máy nhiệt điện.
- Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình
nhà máy nhiệt điện.
- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển và ổn định mức
nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tại trung tâm thí nghiệm
trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm
để kiểm chứng bộ điều khiển được thiết kế.
- Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi của
hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID. 2
3. Nội dung của luận văn
Với các mục tiêu đã đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1. Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt
điện.
Chương 2. Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
mô hình nhà máy nhiệt điện.
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp

thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới…qua đó, nó góp phần vào sự phát
triển ngành năng lượng, quá trình triển khai công nghiệp hóa và hiện đại hóa
nước ta”. 4
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng
từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, chuyển
cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện. Nhiệt năng được
dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi
trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất lượng (
như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh công. Nhiệt năng
cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp
phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng
lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào mạng lưới điện quốc gia.
Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trong
nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt năng của
quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hoà mang nhiệt
năng. Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại tuabin nhiệt
năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoá thành điện năng.
Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiện qua mô hình sau:

Hình 1.1. Quá trình chuyển hóa năng lượng
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng
thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng. Nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt 5
cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nước
6
1.2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành
phức tạp nhất . Nó được cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm bảo
và hiệu suất cao. Trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa
ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của
dòng hơi. Lò hơi có nhiệm vụ chính như sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt…
trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.
- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất và thông
qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin.
Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước có nhiệt độ thông thường được
đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá
nhiệt.
1.2.2. Cấu tạo của lò hơi
Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3. Cấu tạo
chung của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năng
của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành
sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt có áp
suất và nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng.



8

Hình 1.4: Các bộ phận chính của lò hơi đốt than phun
Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính,
đường nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả
nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra
ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngoài, bơm
nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước
xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc
bụi để chống mài mòn cánh quạt khói.
1.2.3. Các loại lò hơi chính
Trong nhà máy nhiệt điện thường sử dụng 2 loại lò hơi chính: Lò hơi có
bao hơi (lò hơi tuần hoàn tự nhiên nhiều lần khi áp suất hơi mới được chọn p
0
<
P
th
với pth = 221 [at]) và Lò hơi trực lưu.
- Lò hơi có bao hơi:
Trong lò có bao hơi thì nước được tuần hoàn tự nhiên trong đường ống
nước xuống và dàn ống sinh hơi dựa vào trọng lượng riêng của môi chất theo
nguyên lý bề mặt nhận nhiệt nhiều hơn dãn nở nhiều hơn có khối lượng riêng
nhỏ hơn bị đẩy lên phía trên (trong giàn ống sinh hơi). Để thực hiện tuần hoàn tự 9
nhiên nhiều lần (4÷10) lần thì ống nước xuống và giàn ống sinh hơi phải được
nối với bao hơi.
- Lò hơi trực lưu:

1- Buồng đốt nhiên liệu. 2 - Bơm cấp. 3 - Bộ hâm nóng nước. 4 - Đường
ống dẫn nước vào bao hơi (balông). 5 - Bao hơi. 6 - Dàn ống nước xuống. 7 -
Dàn ống dẫn nước lên. 8 - Dãy Pheston cùng với bao hơi tạo thành vòng tuần
hoàn tự nhiên của nước và hơi. 9 - Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá nhiệt.
10 - Bộ quá nhiệt. 11 - Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn hơi tới turbine. 12
- Quạt gió. 13 - Thùng nghiền than. 14 - Bộ sấy không khí. 15 - Vòi phun nhiên
liệu. 16 - Thuyền xỉ. 17 - Đường khói thải. 18 - Bộ khử bụi khói. 19 - Quạt. 20 -
Ống khói. 21 - Phễu đựng tro bay.
Việc thu được hơi nước của hai loại lò trên đều hình thành từ 3 quá trình
vật lý là: đun nước nóng tới nhiệt độ sôi (biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành
nhiệt năng), nước sôi (hoá hơi hoàn toàn: nước để chuyển từ pha lỏng thành hơi 11

bão hoà khô) và quá nhiệt đến nhiệt độ đã cho (biến đổi nhiệt năng thành cơ
năng và biến đổi cơ năng thành điện năng). Tuỳ theo quá trình sinh hơi xảy ra ở
áp suất nào mà nhiệt độ sôi t

12

năng có chứa trong nhiên liệu. Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang
đi bởi hơi nước bã hòa (nước là môi chất truyền nhiệt năng). Đầu vào và ra
có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất
máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió đáp ứng
được sản lượng hơi mong muốn.
1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển
có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát
và điều khiển hàng trăm tham số. Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió vào
lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp đều có tác động và ảnh hưởng lẫn
nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng lúc phải phối
hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu một hệ
thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh
giữa các hệ điều khiển của các đại lượng trong hệ thống.
Các hệ điều khiển đó bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau
nhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chính
sau đây:
- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng.
- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng.
Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng
Quá trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như ta đã đề
cập ở phần trên bao gồm nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng: từ hóa năng
thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng và cơ năng, từ cơ
năng chuyển hóa thành thành điện năng. Tuy nhiên trong điều khiển thì quá
trình thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất
máy phát; từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng theo yêu cầu. Tổng
nhiệt năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào và điều khiển