ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2013
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Quang
Phản biện 1: GS. TS. Phan Xuân Minh
Phản biện 2: TS. Trần Xuân Minh
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Phòng 202 – A8. Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Đối tượng nghiên cứu:
- Thiết bị sấy dầu công nghiệp .
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế.
* Phạm vi nghiên cứu:
2

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
- Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu.
- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
4. Dự kiến kết quả đạt được:
- Viết được mô hình toán của đối tượng.
- Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao.
- Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm.
Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương
trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
1. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
2. Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ
thuật và quá trình sấy dầu.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp .
1. Giới thiệu chung về lò điện trở
2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học
3. Mô tả toán học lò điện trở.
Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống .
1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh.
2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID.
3.Thiết kế bộ điều khiển.

1.1.1. Khái niệm.
Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao
để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy…
1.1.2. Phân loại LCN
1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt:
a. Các lò nhiên liệu.
b. Các lò điện.
c. Các lò tự phát nhiệt.
1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ.
a. Các lò nấu chảy.
b. Các lò nung.
1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt.
a. Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt.
b. Các lò làm việc ở chế độ đối lưu.
c. Các lò làm việc ở chế độ theo lớp. Ở chế độ lớp có 3 dạng:
- Lớp chặt.
- Lớp sôi.
- Lớp lơ lửng.
1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc.
Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò
hầm, lò nung liên tục.
1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN
1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò.
a. Nhiệt độ lò.
b. Chế độ nhiệt độ của lò.
1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò.
1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò.
Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một
đơn vị thời gian; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW.
5

d. Hàm lượng nước
e. Cặn Carbon:
f. Hàm lượng tro.
g. Nhiệt trị.
6

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
h. Điểm chớp cháy.
Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm
chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó.
Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất
lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá . . .
Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO)
Khối
lượng
riêng
Kg/m
3
Nhiệt
độ
đông
đặc
0
C
Độ
nhớt
động
học
m
2

0.1964
14.3
10.3
0.13
0
0.29
16.8 7

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO
1
3
1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu;
5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu;
9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;
13- Vòi phun dầu
8

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để
vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50
– 90
0
C tùy theo độ nhớt của dầu. Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ
thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu.
Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu
cầu về phòng hỏa. trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu
có nhiệt độ ổn định (khoảng 70
0
C). Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc
thô và lọc tinh. Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu
bằng điện. Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất
(khoảng 90
0
C).

1
2
3
48

dầu.

10

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
CHƯƠNG 2.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÒ SẤY DẦU
Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt. Vì thế, trong quá
trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển, tôi sử dụng lò điện
trở làm đối tượng thay thế.
2.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt
(dây nung). Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật
cần gia nhiệt.
2.1.1. Đặc điểm.
2.1.2. Nguyên lý làm việc.
Theo định luật Joule- Lence, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R(vật rắn
hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng. Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân vật
dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

2
Q R I t
(2.1)
Trong đó:
Q: Nhiệt độ tảo ra trên dây dẫn(J)
R: Điện trở của dây dẫn ()
I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn(A)
t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)
2.1.3. Phân loại lò điện trở
* Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển
- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế
- Mô phỏng trên máy tính
Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương
pháp:
- Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý của
đối tượng và các tham số của đối tượng.
- Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng.
Trong khuôn khổ của luận văn em chỉ giới thiệu về phương pháp thực nghiệm
như sau:
2.2.1. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ.
Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt dạng:

( ) .
1
s
k
G s e
s





(2.2)
Trong đó: K là hệ số khuếch đại tĩnh
: hằng số thời gian, : thời gian trễ xấp xỉ.
Một số phương pháp thông dụng:

và
2
1
1.5
3
t
t






(2.3)

Hình 2.2. Phương pháp 2 điểm quy chiếu
2.2.2 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc 2 có trễ.

Mô hình truyền đạt có thể viết dưới dạng:  
12
()

tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định bằng cách kẻ
đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập. Hằng số thời gian trễ 
được xác định bằng giao điểm giữa trục thời gian và tiếp tuyến tại điểm uốn. Các tham
số 
1;

2
được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33% và 67%) sau đó giải
phương trình phi tuyến:    
22
//
21
21
()
10
tt
t t t t
i
yt
ee
y







     
     


   
     

Trong đó:
ln
2.485





và
32
21
tt
tt





2.2.3. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân .
Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận dạng
thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng, Sau khi nhận dạng
được khâu quán tính tương ứng chỉ việc nhân thêm 1/s ta được khâu quán tính tích
phân

t(s)

T(
0
C)
t(s)

T(
0
C)
0

86

211
87,6
540
89,6
1483
92,7
32

86,1
221
87,9
559
90

1607
92,8

86,5
351
88,4
820
90,7
2025
93,7
125
86,6
430
89

866
91

2715
94

139
87

438
89,1
965
91,3
2945
94,1
162
87,2
453


Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

Hình 2.4. Đường đặc tính đối tượng lò điện trở
2.3.2. Xác định mô hình đối tượng của hệ thống
Sử dụng phương pháp hai điểm quy chiếu
Từ đồ thị thực nghiệm:
Hình 2.5. Phương pháp hai điểm quy chiếu

Với
8.1
0.81
10
y
k
u


  
21
1.5( ) 873
910 873 37
T t t
L
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
x(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống. Còn gọi là giá trị đặt.
y(t): Tín hiệu ra của hệ thống. Còn gọi là lượng được điều chỉnh.
u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng.
e(t): Sai lệch điều khiển.
z(t): tín hiệu phản hồi.
f
n
(t): tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng.
3.1.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động.
Để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống ổn định đó theo thời
gian người ta sử dụng đặc tính quá độ. Như vậy đặc tính quá độ mô tả quá trình quá
độ của hệ thống.
Có 3 loại chỉ tiêu chất lượng cơ bản:
1, Chỉ tiêu chất lượng tĩnh: Nó là trị số sai lệch còn tồn tại khi quá trình quá độ
kết thúc và được xác định theo công thức:
s = lim
t
e(t)
17

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
2, Chỉ tiêu quá độ: Chất lượng của hệ thống được đánh giá bằng ba chỉ tiêu sau:
- Thời gian quá độ:
- Số lần dao động n:
- Độ quá điều chỉnh 
max

Trong đó: T
i
gọi là hằng số thời gian tích phân. Từ công thức 3-3 ta thấy giá trị
u(t) chỉ đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e(t)=0.
Ưu điểm:
- Ở trạng thái xác lập thì triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Nhược điểm:
- Tốc độ xử lý tín hiệu chậm
- Hệ thống kém ổn định
- Thời gian điều chỉnh dài

18

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
3.1.3.3. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI)
Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh người ta kết hợp quy luật
tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo nên quy luật tỷ lệ tích phân. Tín hiệu điều khiển
được xác định theo công thức:

1
( ) ( ) ( ).
p
i
U t K e t e t dt
T






i
K
Us
K T s K K s
E s Ts s
      
(3.4)
Ưu điểm:
- Tốc độ xử lý nhanh, triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Nhược điểm:
- Trong cấu trúc của luật PID có 2 tham số cần điều chỉnh là K
P
, T
I
, T
D
. Việc xác
định thông số thích hợp cho từng đối tượng là rất phức tạp.
- Do có thành phần vi phân nên hệ thống sẽ phản ứng rất mạnh với nhiễu cao tần,
muốn hệ thống làm việc tốt phải có bộ chống nhiễu tốt.
3.1.4. Tác động của việc tăng một thông số độc lập

19

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Thông số
Thời gian
khởi động
Quá độ
Thời gian xác

d

nhỏ
3.2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID
3.2.1. Phương pháp thực nghiệm
a. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất.
Phương pháp này thiết kế dựa trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt của đối tượng
thành khâu quán tính bậc nhất có trễ, độ quá điều chỉnh không vượt quá giới hạn cho
phép 40%

Với các k,L,T xác định từ độ thị hàm quá độ
Điều kiện để áp dụng phương pháp này là đối tượng phải ổn định, không có
dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S.
b. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai.
Phương pháp thực nghiệm này có đặc điểm không sử dụng mô hình toán học
của đối tượng, ngay cả mô hình xấp xỉ.
Nhược điểm của phương pháp này là chỉ cáp dụng cho đối tượng có được chế
độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại trong hệ kín.
c. Phương pháp tổng hợp T của Kuhn
Cho đối tượng có hàm truyền đạt

20

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

    
    
' ' '
12
12

2. Nếu chọn PI thì
1/ 2 ; / 2
pi
K k T T



(3.6)
3. Nếu chọn PID thì
1/ ; 2 /3, 0.167
p i d
K k T T T T

  

(3.7)
3.2.2. Phương pháp thiết kế dựa trên miền tần số
3.2.2.1.Phương pháp tối ưu mô đun
Phương pháp tối ưu độ lớn được xây dựng chủ yếu chỉ phục vụ việc chọn tham số
bộ điều khiển PID để điều khiển các đối tương S(s) có
hàm
truyền dạng quán tính bậc
1, bậc 2, bậc 3.
a. Điều khiển đối tượng quán tính bậc nhất
Nếu đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển tích phân
với tham số
2
i
p
T

k
Gs
T s T s


(3.9)
Tức là ta lại có được T
R
theo công thức:

2
2
2
ii
Rp
p
TT
T kT k
k kT
   
(3.10)
c. Điều khiển đối tượng quán tính bậc 3
Hàm truyền đạt khâu quán tính bậc 3

1 2 3
()
(1 )(1 )(1 )
k
Ss
T s T s T s

1i
T aT
(3.13)
- Tính
1
1
p
k
kT a

(3.14)
b. Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc 2
Hàm truyền của đối tượng:

12
()
(1 )(1 )
k
Ss
s T s T s


(3.15)
Ta sử dụng bộ điều khiển PID
22

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

  
1

b
TT
T T T T
T
kT
kk
T
kT a
  
  
(3.17)
c. Giảm độ quá điều chỉnh bằng bộ tiền xử lý
Quy tụ chung là tìm bộ điều khiển sao cho hệ hở có hàm truyền đạt

'
2
2
(1 )
()
(1 )
hp
k Ts
G s k
Ts T s



(3.18)
* Nếu đối tượng là tích phân quán tính bậc nhất thì
- Chọn bộ điều khiển PI với

48
i d p
TT
T T T T k
T T kT
   

(3.21)
- Chọn bộ tiền xử lý là:
2
1
()
14
Ms
sT


(3.22)
d. Khả năng ứng dụng cho đối tượng tích phân quán tính bậc cao
Hàm truyền đạt đối tượng có dạng:

12
()
(1 )(1 ) (1 )
n
k
Ss
s Ts T s T s

  



với T
1
là hằng số thời gian lớn vượt trội nhất và
2
n
i
i
TT



(3.25)
3.3. Thiết kế bộ điều khiển
3.3.1. Phương pháp tối ưu Modul
Dựa vào phương pháp tối ưu modul ta có bộ điều khiển PI có dạng:

1
(1 )
d
i
PI K
Ts


(3.26)
Từ mô hình đối tượng:
37
0.81

P
T
i
T
D
P
T/KL PI
0.9T/KL
10L/3

PID
1.2T/KL
3L
L/2
Bảng 4.1 Tham số bộ điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I
Đối với đối tượng lò điện trở có hàm truyền:

37
0.81
W
873 1
s
DT
e
s

