Luận văn Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

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 Thái nguyên năm 2009 LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỤC LỤC Mục lục ………………………………………………………………….......1 Danh mục các hình vẽ và đồ thị ……………………………....…………….3 Mở đầu ………………………………………………………….....……….5 Chương1: Mở đầu…………………………………………………..……10 1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………………………10 1.1.1. Điều khiển quá trình.............................................................10 1.1.2 Các tính chất của hệ điều khiển quá trình …………………..11 1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình………………………..15 1.2.1. Cơ cấu chấp hành……………….…….…………….....…....15 1.2.2. Các cảm biến:……………………..….………………....…..18 1.2.3. Các cảm biến áp lực:….……………….. ……...........22 1.3.Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt……………………………22 1.4.Kết luận...............................................................................................23 Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình.........................................................................................................................................24 2.1 .Đặt vấn đề ………………………......................................................24 2.2. Các phương pháp điều khiển cơ bản ................................................24 2.2.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng………………………..24 2.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi……………………………31 2.2.3. Phương pháp điều khiển tỉ lệ ……………………………….41 1.2.4 Phương pháp điều khiển tầng ……………………………….47 LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 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 Chương1: Mở đầu Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình Hình 1.2: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân bằng Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình không có tính tự cân bằng Hình 1.4 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình Hình 1.5: Van tiết lưu Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp hình 1.7 van servo con trượt Hình1.8: Van servo tấm chắn Hình 1.9: Can nhiệt điện Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình Hình2.1.Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển truyền thẳng Hình2.2 Cấu hình nối tiếp và cấu hình song song Hình 2.3Đặc tính điều khiển cho ví dụ2.1 Hình 2.4 Đièu khiển mức sách lược truyền thẳng Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Hình 2.6. Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển phản hồi Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi Hình 2.9. Mô phỏng điều khiển mức với hệ số kc khác nhau 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 Hình 4.4 Van nước nóng Chương 4 Mô phỏng hệ thống Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào Hình 4.2 Tạo lập các hàm liên thuộc cho biến ra Hình 4.3luật điều khiển trong không gian Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 Lời nói đầu Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ. Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện 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 Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3 chương như sau: Chương 1. Mở đầu Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều khiển quá trình Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại, phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình gia nhiệt LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia nhiệt Chương này nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể là nhiệt độ và lưu tốc bồn nước. Chương 4 Mô phỏng hệ thống Mô phỏng bằng Matlap . Phân tích các kết quả đạt được, đưa ra các kết luận Trong quá trình làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo, TS. Võ Quang Vinh , giảng viên khoa Điện, Trường đại học KTCN Thái Nguyên. Xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi cũng nhận được sự hỗ trợ rất nhiều từ các thầy cô giáo trong Khoa Điện, trường đại học KTCN Thái Nguyên cũng như từ gia đình, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn Thái Nguyên, ngày.....tháng.....năm 2009 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 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1. Khái niệm và đặc tính chung của Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình. Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các thông số như: nhiệt độ (t0), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lượng và thậm chí cả điều khiển phản ứng v.v. Việc điều khiển các đại lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính: Những đặc điểm của quá trình: Thường được thể hiện dưới 4 đặc tính sau: - Thời gian chết quá trình (Process Dead time) - Trễ quá trình (Process Lag) - Hệ số khuyếch đại của quá trình (Process gain) - Nhiễu quá trình (Process disturbances) - Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu. Hiện tượng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng. Ngoài ra nó còn được biết đến như: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc. - Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lượng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao. - Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình được xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào. - Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình, nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển. LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt 11 Dương Mạnh Hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 E1 và chảy ra E0 từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của quá trình. Khi E1 = E0 các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng, quá trình ở trạng thái cân bằng. Khi E1  E0 sẽ tồn tại sự vận động trong môi trường hoạt động của quá trình. Giá trị E = E1 - E0 được gọi là tác động nhiễu lên quá trình. Nó là đại lượng đặc trưng cho tác động vào của quá trình. Năng lượng hoặc vật chất sẽ được tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng quá trình. Các hiện tượng này được phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của quá trình và được gọi là tín hiệu ra của quá trình. Thông số kỹ thuật đặc trưng nhất cho các hiện tượng xảy ra trong quá trình được chọn làm đại lượng cần điều chỉnh y. Tác động ảnh hưởng lớn nhất lên đại lượng cần điều chỉnh được sử dụng làm tác động điều chỉnh u. GC(s) GP(s) y(s) u(s) e(s) ysp(s) Controller Process Hỡnh 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình - 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 phương pháp giải tích bình thường mà phải tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Đặc tính động học của quá trình này được biểu diễn dưới dạng các đặc tính thời gian. LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt 13 Dương Mạnh Hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên cơ sở hàm quá độ của quá trình có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt của nó. Do quá trình có hai loại cơ bản là quá trình có tính tự cân bằng và quá trình không có tính tự cân bằng nên thường việc xác định hàm truyền đạt cho hai loại này cũng khác nhau. * Quá trình có tính tự cân bằng Dạng tổng quát của hàm truyền đạt của quá trình có tính tự cân bằng được mô tả như sau: Ps P P 0 G (s) K .G (s).e  Trong đó: KP - hệ số truyền của quá trình P - thời gian trễ, còn gọi là trễ vận chuyển. m m 1 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 Pse  và khâu tĩnh có hàm truyền đạt K.G0(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 thì quá trình có hàm truyền đạt dạng: G0(s).KP pse GP(s) Process Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân bằng LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt 14 Dương Mạnh Hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PsP P P K G (s) e 1 s    - Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất có trễ thì quá trình được mô tả bằng hàm truyền đạt dạng: P( )sP P P K G (s) e 1 s     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: Ps P P 0 1 G (s) K .G (s).e s  Trong đó: KP - hệ số truyền của quá trình P - thời gian trễ G0(s) - hàm truyền đạt của thành phần tĩnh có dạng tổng quát: m m 1 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               G0(s).KP pse GP(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 1 G (s) s   - Khâu quán tính tích phân: P P P K G (s) (1 s)s    - Khâu tích phân có trễ: Ps P P 1 G (s) e s   - Khâu quán tính tích phân có trễ: PsP 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. Để khắc phục nhược điểm này người ta thiết kế ra loại van tiết lưu cân bằng áp hình 1.6 Khi có tải lớn áp trên đầu của van t