1
LỜI NÓI ĐẦU
Tự động hoá đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất của
nền kinh tế hiện đại. Đặc biệt là công nghiệp và sản xuất điện năng. Hệ thống điều
chỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm
bảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động của con người.
Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, đặc biệt với việc
điều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộ
điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh
vực. Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì đã có
những nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suất
bình. Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện
chất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai.
Với những kiến thức của mình cùng sự tìm tòi nghiên cứu và hướng dẫn của
PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng
hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai”.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái
Nguyên. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS. Nguyễn Như
Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm
ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài
khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,
cô giáo để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau
này.
Học viên
Đào Hồng Cẩm Mơ
2
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò then

Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển kinh
điển PID, qua khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra được các hạn chế của
phương pháp điều khiển này.
Để khắc phục các nhược điểm của bộ điều khiển kinh điển, dựa trên cơ sở logic mờ,
luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai. Bước
đầu tiến hành kiểm nghiệm bộ điều khiển mới bằng phần mềm mô phỏng trên Matlab -
Simulink.
3. Kết quả thực nghiệm của luận văn
Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò hơi bằng lý thuyết và kiểm nghiệm
bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc trước đây của một luận văn cao
học. Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao
học cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực. Đây là một yêu
cầu mới về nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường. Việc áp dụng sáng tạo các mô
hình thí nghiệm sẵn có của nhà trường vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạt
kết quả tốt. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt
độ của lò hơi của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so với
thực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ
điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống và làm nền tảng cho thiết kế nâng cao chất
lượng cho hệ thống.
4. Nội dung luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò hơi của nhà máy nhiệt điện
Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng nhiệt độ trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện
Chương 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện bằng bộ
điều khiển mờ lai
Kết luận và kiến nghị
4
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÒ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

0
C và -15
0
C.
Việc sử dụng bộ quá nhiệt cũng có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
Nếu tỉ lệ hấp thụ nhiệt hợp lí giữa các phần bức xạ và đối lưu thì trong nhiều trường
hợp khi chế độ làm việc của lò thay đổi thì nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng không thay
đổi. Với bộ quá nhiệt, khi tăng phụ tải, nhiệt lượng hấp thu trong phần đối lưu tăng
lên trong khi phần bức xạ hầu như không tăng do nhiệt độ cháy lí thuyết hầu như tăng
rất ít.
Có hai phương pháp chủ yếu dùng để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là điều
chỉnh bằng hơi và điều chỉnh bằng khói.
6
1.2. NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ
NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.2.1. Đặt vấn đề
1.2.2. Bộ quá nhiệt và các thiết bị liên quan trong hệ thống
a. Mô tả chung
b. Giảm ôn ở nhà máy điện
.
Sơ đồ bố trí bộ quá nhiệt
7
c. Phân loại
d. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt
e. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt đô hơi quá nhiệt ở nhà máy
Để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt có 2 phương pháp
+ Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi
+ Điều khiển van nước phun giảm ôn
f. Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi
Thực tế thực hiện phương pháp này ta dùng các cơ cấu điều chỉnh thay đổi góc

2.1. KHÁI QUÁT CHUNG
2.2. MÔ TẢ TÓAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.2.1. Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình
sau
a. Thiết bị đo
Hàm truyền đạt thiết bị đo nhiệt độ bình bao hơi là một khâu quán tính bậc nhất
sT
K
SW
d
d
+
=
1
)(
Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của thiết bị đo, được xác định như sau:







°
=
∆
∆

K
G s
T s
=
+
Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của van
T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 20 ms = 0,02s
Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 ÷ 80% thì nhiệt độ thay đổi từ 0 ÷ 40 . Từ
đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa nhiệt độ qua van và độ mở của van là:
5.0
580
40
≈
−
=
V
K
Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí
nén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:
s
G
V
21
50
+
=
c. Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là nhiệt độ bình bao hơi, thông qua việc tiến
hành thí nghiệm lấy đường đặc tính động của nhiệt độ với tác động điều chỉnh là lưu

)(
15
+
=
−
s
e
sG
s
đt
Khâu trễ e
-15s
có thể biến đổi gần đúng như sau:
15
1
1 15
s
e
s
−
=
+
2.2.2. Hàm truyền của hệ thống
Hệ thống điểu khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng 1 bộ điều khiển tỷ lệ - tích
phân và 1 bộ vi phân hoặc 1 bộ PID và 1 bộ vi phân. Ngoài ra trong sơ đồ điều khiển
còn sử dụng các khối tính toán để xử lý kết quả đo đạc từ các đầu đo gửi về. Tín hiệu
đo nhiệt độ hơi quá nhiệt được lấy từ 3 đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của tín
hiệu.
Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau:
Trong đó:

s
DT
K e
T s
+
1
V
V
K
T s
R(s)
12
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển bao gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu
vi phân (D). PID là một tập thể hoàn hảo gồm 3 tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỉ lệ P)
- Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (I)
- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi tình huống trong
quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân D).
3.1.1. Chọn luật điều khiển PID
- Vòng điều khiển nhiệt độ: Đặc tính động học của quá trình và của cảm biến
nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành. Đối với một số bài toán quá trình
còn có thể có đặc tính dao động hoặc thậm chí không ổn định. Phép đo nhiệt độ chậm
nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế, ta nên sử dụng luật PID để cải thiện
tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn.
3.1.2. Phương pháp tối ưu độ lớn
- Tổng hợp theo tối ưu độ lớn, ta sử dụng bộ điều khiển PID:

nhiệt độ của bình chứa tăng dần và sau một khoảng thời gian nhiệt độ sẽ bằng với
nhiệt độ yêu cầu. Tuy nhiên nhận thấy đặc tính còn chưa đạt, như thời gian quá độ lớn,
lượng quá điều chỉnh cao. Để cải thiện đặc tính ta sử dụng bộ điều khiển tham số PID,
bằng cách thay đổi các thông số PID một cách phù hợp ta sẽ lấy được đường đặc tính
tốt nhất theo yêu cầu điều khiển ổn định nhiệt độ.
3.3.3. So sánh với kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng về điều khiển mức như trên hình 3.3.2 và kết quả thực
nghiệm như trên hình 3.1.2 có những sai lệch với nhau về lượng quá điều chỉnh, sai
lệch tĩnh và thời gian quá độ. Thông qua thực nghiệm trên mô hình điều khiển mức
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã chứng tỏ mối liên hệ giữa
thực tiễn và lý thuyết. Qua đó, nâng cao được nội dung và kết quả cho luận văn về tính
ứng dụng vào thực tế.
Kết quả thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi
16
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 3 của luận văn đã thiết kế được bộ điều khiển PID để điều khiển đối
tượng là nhiệt độ bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện. Bộ điều khiển đã đáp ứng được
yêu cầu đặt ra và đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phầm mềm Matlab-
Simulink trên mô hình thực nghiệm thiết bị lò hơi của trường Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên. Đây là một nội dung rất quan trọng so sánh kết quả giữa mô hình
mô phỏng và thí nghiệm thực tế của luận văn đã chứng tỏ mối liên hệ giữa lý thuyết và
thực tế.
17
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÒ HƠI
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
4.1. CẤU TRÚC MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Cấu trúc một bộ điều khiển mờ cơ bản thể hiện trên hình gồm 4 khối: Khối mờ
hoá, khối luật mờ, khối hợp thành và khối giải mờ.
4.1.1. Mờ hoá

ứng kịp thời với các biến động đột xuất của đối tượng.
4.2.3. Điều khiển mờ lai
Bộ điều khiển mà trong quá trình làm việc tự điều chỉnh thông số của nó cho
phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi. Một hệ
thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay không sự tham gia của hệ mờ, là hệ thống
phát triển cao và có tiềm năng đặc biệt, song gắn liền với những ưu điểm đó là khối
lượng tính toán thiết kế rất lớn.
Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy: không phải là cứ thay một bộ điều
khiển mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển thì sẽ có một hệ thống tốt hơn. Trong nhiều
trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị
điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết
bị điều khiển bao gồm hai thành phần:
- Thành phần điều khiển kinh điển.
- Thành phần điều khiển mờ.
19
Các dạng hệ mờ lai phổ biến
a, Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển
Tín hiệu chủ đạo đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ. Tín hiệu
vào x được so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của
nó được đưa vào đầu vào bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh ∆x, tín hiệu chủ đạo
đã được lọc có giá trị x + ∆x. Tác dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thống là làm
cho hệ thống có đặc tính động tốt hơn và nâng cao khả năng bền vững của hệ khi các
thông số trong hệ biến đổi.
b, Hệ mờ lai Cascade
Một cấu trúc mờ lai khác được biểu diễn trong hình sau, ở đó phần bù tín hiệu
điều chỉnh ∆u được lấy từ bộ điều khiển mờ.
Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ
Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x
Cấu trúc hệ mờ lai Cascade

năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều khiển mờ.
4.3.3. Sơ đồ mô phỏng
Bộ điều khiển mờ lai có cấu trúc như sau
Sự phân bố các hàm liên thuộc của đầu vào
Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai
22
4.3.4. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng đáp ứng nhiệt độ bằng bộ điều khiển mờ laic ho kết quả như
sau:
Với đường màu đỏ là lượng đặt, yêu cầu ổn đinh nhiệt độ đặt ra.
Đường màu xanh dương là đáp ứng sử dụng bộ điều khiển mờ
Đường màu xanh lá là đáp ứng sử dụng bộ điều khiern PID
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Kết quả mô phỏng khi sử dụng hai bộ điều khiển là PID và mờ, ta nhận thấy:
Bộ điều khiển mờ cho chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên, do điều kiện còn hạn chế
về thiết bị thí nghiệm, cho nên chưa thể tiến hành thực nghiệm, để có kết luận chính
xác so sánh chất lượng các bộ điều khiển đã thực hiện trong chương ba với nhau.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
t(s)
T (oC)
Dap ung nhiet do
Td
TMo