1
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
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Thái Nguyên – 2015
Công trình được hoàn thành tại:
2
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Nguyên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan nhà máy nhiệt
điện từ đó xây dựng mô hình toán cho hệ thống điều khiển mức nước
cấp bình bao hơi.
- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển
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
của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ.
3.Nội dung của luận văn
Chương 1. Tổng quan về điều khiển mức nước bao hơi của
nhà máy nhiệt điện.
Chương 2. Mô tả toán học của đối tượng điều khiển mức

- Hệ thống đo lường điều khiển
- Hệ thống an toàn
- Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…
1.2.3. Các loại lò hơi chính
- Lò hơi có bao hơi
- Lò hơi trực lưu
1.2.4. Hệ thống điều khiển lò hơi
1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển
1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
1.3. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt
điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải
được cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau
gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi.
1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi
Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly:
hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng.
1.3.3. Mục tiêu của nghiên cứu
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một
hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển mức nước cấp
trong bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạt
động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không
5
ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên

điều
khiển
CV02
Bình
chứa
nước
Bao
hơi
Bình
nước
cấp
bao
hơi
Điện
trở
nhiệ
t
Bơm nước
B02
Hình 2.1: Mô hình NMTĐ tại TTTN của trường ĐH kỹ thuật công nghiệp
Hình 2.2: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
7
2.2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình
bao hơi
Cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển quá trình nói
chung được minh họa như hình 2.2:
2.2.3. Hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.3.1. Thiết bị đo
a. Cấu trúc cơ bản:
b. Đặc tính động

2
thì độ mở của
van thay đổi từ 0 ÷ 85%, khi đó hệ số khuếch đại được xác định như
sau:
9
 
= =
 
−
 
2
%®é ë
80
125
1 0,32 /
V
m
K
KG cm
Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 ÷ 80% thì lưu lượng
nước qua van thay đổi từ 0 ÷ 40 T/h. Từ đó hệ số truyền của sự liên
hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:
 
= =
 
−
 
120 /
1,6
80 5 %®é ë

van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành. Thông thường,
v
τ
có
giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 3 ÷ 15 giây.
Hệ số khuếch đại
v
K
cũng có thể được tính toán như sau:
10
v
dF dF dp
K
du dp du
= =
Cơ cấu chấp hành có thể coi là tuyến tính trong toàn bộ dải
làm việc, nên đạo hàm dp/du bằng “1” cho van FC và bằng “-1” cho
van FO. Vì thế với việc chọn van FC ta có:
v
dF
K
dp
=
Nếu van được định cỡ tốt thì ta có thể coi
v
K
là hằng số
trong toàn dải làm việc.
2.2.3.3. Bình bao hơi
Trên cơ sở phân tích ở trên, có thể xác định gần đúng hàm

Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền

0,08
/
mm
K
t h
 
=
 
 
τ
: hằng số thời gian trễ,
τ
= 15 (s)
Khi đó hàm truyền của đối tượng là:
15
0,08.
( )
s
dt
e
G s
s
−
=
Khâu trễ e
-15s
có thể biến đổi gần đúng như sau:


Vậy cấu trúc mô tả toán học của hệ thống dưới dạng hàm
truyền như sau.
2.4. Kết luận:
Trong chương 2 ta đã xây dựng được mô tả toán học cho
đối tượng điều khiển và cả hệ thống hở. Dựa vào thông số thực tế
của thiết bị thí nghiệm ta đã xác định được thông số của đối tượng đó
là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của quá trình và cơ cấu chấp
Hình 2.9:Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
200
0.025s 1
+
BĐK
0.08
s(15s 1)
+
(-)
L
đ
L
0.016
0.005s 1
+
13
hành. Đây là, sự chuẩn bị cần thiết cho thiết kế cấu trúc điều khiển
cho đối tượng ở các chương sau.
14
Chương 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI

( )
1jW
k
=ω

(3.6)
3.1.2.2. Phương pháp tối ưu modul
3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng
3.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp
bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
Đây là đối tượng tích phân – quán tính bậc hai.
1 2
k
S( s )
s(1 T s )(1 T s )
= →
+ +
16*0.016
S( s )
s(1 15s )(1 0.025s )
=
+ +
(3.13)
Ta sử dụng bộ điều khiển PID:
200
0.025s 1
+
BĐK
0.08

h
2 2
I 2 I B 2
B
p
2
B 2
k k(1 T s ) k T
k(1 T s
G ( s ) R( s )S( s )
T s ( 1 T s ) T T s (1 T s )
k(1 T s )
k
T s (1 T s )
+
+
= = = =
+ +
+
=
+
%

(3.16)
LPID
4
R ( s ) 120 250s
s
= + +
(3.17)

t(s)
L(%)
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
Ld
Lthuc
17
Hình 3.6: Cấu trúc mô phỏng ĐK mức nước cấp bao hơi
3.3.2. Các kết quả mô phỏng
- Trường hợp mô phỏng với mức nước 70%
- Trường hợp mô phỏng với mức nước thay đổi từ 70% lên 90%
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70%
Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90%
Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm đk mức nước bao hơi
18
3.4.1. Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí
nghiệm
19
Hình 3.10: Bình cấp nước trong thí nghiệm đk mức nước bao hơi
20

Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao
hơi
Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi
21
3.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm
3.4.3. Các kết quả thực nghiệm
- Trường hợp mức nước 80%
- Trường hợp mức nước thay đổi từ 80% xuống 60%
Hình 3.13: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 80%

4.1.3.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện
4.1.3.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp
thành
4.1.4. Bộ điều khiển mờ
4.1.4.1. Bộ điều khiển mờ động
4.1.4.2 Điều khiển mờ thích nghi
4.1.4.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID
4.2.1. Phương pháp thiết kế
4.2.2. Nhận xét
- Phương pháp thiết kế đơn giản và dễ dàng thay đổi luật
mờ
- Dùng để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID kinh điển
24
4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh
định tham số bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID
Trong đó bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID có
cấu trúc mô phỏng:
Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiển PID
và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
10
20
30
40
50