Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 15 1.1. Đặt vấn đề 15 1.2.1. Nội dung thực hiện 16 1.2.2. Kết quả đạt được 17 Sau khi tiến hành nhận dạng theo từng phương pháp với bậc của các mô hình khác nhau, ta thu được kết quả tốt nhất như sau: Đối với mô hình nhiệt độ, theo phương pháp PEM với mô hình ARMAX thu được mô hình đa thức bậc 2, độ fit là 92.4% . Đối với mô hình áp suất, theo phương pháp PEM với mô hình hàm truyền bậc 3, độ fit là 78.5% 17 1.3. Nội dung đồ án 17 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG 18 2.1. Sơ lược về vấn đề nhận dạng 18 2.1.1. Tổng quan về phương pháp 18 2.1.2. Các bước tiến hành nhận dạng 20 2.1.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng 21 Theo dạng mô hình sử dụng 21 Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động 21 Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín 22 Nhận dạng gián tiếp và trực tiếp 23 Nhận dạng trực tuyến (online) và ngoại tuyến (offline) 23 Thuật toán ước lượng mô hình 24 2.1.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình 24 2.2. Các phương pháp ước lượng mô hình 24 2.2.1. Nhận dạng mô hình đáp ứng tần số 25 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 1 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 2.1. Đáp ứng tần số của hệ thống 25 2.2.1.1 Phương pháp phân tích Fourier ( ETFE) 26 2.2.1.2.Phương pháp phân tích phổ 29 Hình 2.2. Đồ thị tín hiệu u1 34 Hình 2.3. Đồ thị phổ tần số của u1 34 Hình 2.4. Đồ thị tín hiệu ra y1 khi đầu vào là u1 35 Hình 2.5. Đáp ứng tần số ước lượng bằng 3 phương pháp với tín hiệu vào và đầu ra không chịu ảnh hưởng của nhiễu 36 Hình 2.6. Đáp ứng tần sồ ước lượng được từ 3 phương pháp với hàm độ rộng cửa sổ trong thuật toán ETFE và SPA là 100 37 Hình 2.7. Nhiễu ồn trắng Gauss 38 Hình 2.8. Đồ thị đầu ra khi bị ảnh hưởng của nhiễu 38 Hình 2.9. Mô hình đáp ứng tần số ước lượng được khi có ảnh hưởng của nhiễu ồn trắng 39 Hình 2.10. Đồ thị tín hiệu vào u2 40 Hình 2.11. Đồ thị phổ tần số của tín hiệu u2 40 Hình 2.12. Đồ thị đáp ứng y2 của hệ thống với tín hiệu vào là u2 41 Hình 2.13. Mô hình đáp ứng tần số ước lượng được từ bộ dữ liệu thu được khi đầu vào là u2 42 2.2.1.3. Ước lượng hàm truyền đạt liên tục từ đáp ứng tần số 43 Hình 2.14. Đồ thị bode của mô hình đáp ứng tần số h13 44 Hình 2.15. Mô hình hàm truyền ước lượng được từ dãy đáp ứng tần số của mô hình h13 45 2.2.2. Hệ hồi quy tuyến tính và phương pháp bình phương cực tiểu (LSE) 45 2.2.3. Phương pháp sai số dự báo (PEM) 49 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 2 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 2.16. Ước lương (*) theo mô hình ARX khi hệ thống không chịu ảnh hưởng của nhiễu 56 Hình 2.17. Kết quả ước lương mô hình ARX khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng tới đầu ra sử dụng phương pháp LSE 57 Hình 2.18. Kết quả ước lượng (*) theo mô hình ARX sử dung phương pháp PEM 58 Hình 2.19. Kết quả ước lương (*) theo mô hình ARMAX khi đầu ra chịu tác động của nhiễu 59 Hình 2.20. Kết quả ước lương (*) theo mô hình hàm truyền đạt khi đầu ra chịu tác động của nhiễu 60 CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG LÒ HƠI 62 Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo của lò hơi 62 3.2. Giải pháp điều khiển đang được sử dụng 63 3.2.1. Điều khiển mức nước trong bao hơi 64 Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi 65 3.2.2. Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt 65 3.2.3. Áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra 66 3.2.4. Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa 67 3.3. Thu thập số liệu 70 3.3.1. Vòng điều khiển nhiệt độ 70 3.3.2. Vòng điều khiển áp suất 71 CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LÒ HƠI 73 4.1. Xử lý số liệu trước khi nhận dạng 73 Hình 4.1a. Đồ thị nhiệt độ khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 76 Hình 4.1b. Đồ thị nhiệt độ sau khi loại bỏ giá trị trung bình 76 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 3 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 4.2a. Đồ thị áp suất khi chưa loại bỏ giá trị trung bình 77 Hình 4.2b. Đồ thị áp suất hơi quá nhiệt sau khi loại bỏ giá trị trung bình 77 4.2. Kết quả nhận dạng cho mô hình nhiệt độ 78 Hình 4.3. Mô hình nhận dạng nhiệt độ 78 4.2.1. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp dựa trên đáp ứng trên miền tần số 78 Hình 4.4. Phổ tần số của các biến vào trong mô hình nhiệt độ 79 Hình 4.5a. Đáp ứng tần số của nhiệt độ ứng với biến vào lưu lượng nhiên liệu 80 Hình 4.5b. Đáp ứng tần số của nhiệt độ với biến vào lưu lượng nước làm mát 81 Hình 4.5c. Đáp ứng tần số của nhiệt độ với biến vào lưu lượng hơi quá nhiệt 81 4.2.2. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp LSE 82 Hình 4.6a. Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình ARX với bậc mô hình thấp 82 Hình 4.6b. Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình ARX với bậc mô hình cao 83 4.2.3. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp PEM cho các dạng mô hình khác nhau 84 Hình 4.7. Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình ARMAX 85 Hình 4.8. Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình SOPDT, không gian trạng thái và OE 89 Hình 4.11a. Đáp ứng tần số của áp suất với biến vào lưu lượng nhiên liệu 92 Hình 4.11b. Đáp ứng tần số của áp suất với biến vào lưu lượng nước làm mát 92 Hình 4.11c. Đáp ứng tần số của áp suất với biến nhiễu tải lưu lượng hơi quá nhiệt 92 4.3.2. Nhận dạng mô hình áp suất theo phương pháp LSE với mô hình ARX 93 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 4 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 4.13. Nhận dạng áp suất theo phương pháp PEM áp dụng cho mô hình ARMAX 96 compare(Pmhv,m6,m7,m8,m9); 97 Mô hình hàm truyền liên tục bậc 2 có trễ, có điểm cực phức: 97 Process model with 3 inputs: y = G_1(s)u_1 + + G_3(s)u_3 97 where 97 Kp 97 G_1(s) = * exp(-Td*s) 97 1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2 97 with Kp = 0.0033078 97 Tw = 58.759 97 Zeta = 2.4964 97 Td = 0 97 Kp 97 G_2(s) = * exp(-Td*s) 97 1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2 97 with Kp = -2.8342 97 Tw = 9.424 97 Zeta = 3.4828 97 Td = 18.152 98 Kp 98 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 5 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín G_3(s) = * exp(-Td*s) 98 1+2*Zeta*Tw*s+(Tw*s)^2 98 with Kp = 0.00019435 98 Tw = 9.4162 98 Zeta = 8.4444 98 Td = 14.227 98 Estimated using PEM using SearchMethod = Auto from data set z 98 Loss function 0.00212907 and FPE 0.00215462 98 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 103 5.2. Các dạng mô hình sử dụng 103 5.3. Chất lượng mô hình nhận được 104 5.4. Công cụ System Identification Toolbox 104 5.4. Bài học thu được 105 5.5. Hướng phát triển và nghiên cứu của đề tài 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 6 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ARX AutoRegressive with eXternal input ARMAX AutoRegressive Moving Average with eXternal input BJ Box-Jenkins DSC Distributed Control System ETFE Empirical tranfer-function estimation SOPDT Second-oder plus dead-time LS Least Squares MV Manipulated variable OE Output-Error PEM Prediction Error Method SPA Spectral Analysis SPAFDR SPectral Analysis with Frequency Dependent Resolution Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 7 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín QUY ƯỚC VỀ TÊN TAGNAME CỦA CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH Ký hiệu Ý nghĩa Ký hiệu Ý nghĩa A Analyzer P Pressure C Controller T Temperature/Transmitter F Flow V Valve I Indicator PV Process value L Level CPV Calculated Process value Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 8 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 15 1.1. Đặt vấn đề 15 1.2.1. Nội dung thực hiện 16 1.2.2. Kết quả đạt được 17 Sau khi tiến hành nhận dạng theo từng phương pháp với bậc của các mô hình khác nhau, ta thu được kết quả tốt nhất như sau: Đối với mô hình nhiệt độ, theo phương pháp PEM với mô hình ARMAX thu được mô hình đa thức bậc 2, độ fit là 92.4% . Đối với mô hình áp suất, theo phương pháp PEM với mô hình hàm truyền bậc 3, độ fit là 78.5% 17 1.3. Nội dung đồ án 17 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG 18 2.1. Sơ lược về vấn đề nhận dạng 18 2.1.1. Tổng quan về phương pháp 18 2.1.2. Các bước tiến hành nhận dạng 20 2.1.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng 21 2.1.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình 24 2.2. Các phương pháp ước lượng mô hình 24 2.2.1. Nhận dạng mô hình đáp ứng tần số 25 Hình 2.1. Đáp ứng tần số của hệ thống 25 2.2.1.1 Phương pháp phân tích Fourier ( ETFE) 26 2.2.1.2.Phương pháp phân tích phổ 29 Hình 2.2. Đồ thị tín hiệu u1 34 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 9 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 2.3. Đồ thị phổ tần số của u1 34 Hình 2.4. Đồ thị tín hiệu ra y1 khi đầu vào là u1 35 Hình 2.5. Đáp ứng tần số ước lượng bằng 3 phương pháp với tín hiệu vào và đầu ra không chịu ảnh hưởng của nhiễu 36 Hình 2.6. Đáp ứng tần sồ ước lượng được từ 3 phương pháp với hàm độ rộng cửa sổ trong thuật toán ETFE và SPA là 100 37 Hình 2.7. Nhiễu ồn trắng Gauss 38 Hình 2.8. Đồ thị đầu ra khi bị ảnh hưởng của nhiễu 38 Hình 2.9. Mô hình đáp ứng tần số ước lượng được khi có ảnh hưởng của nhiễu ồn trắng 39 Hình 2.10. Đồ thị tín hiệu vào u2 40 Hình 2.11. Đồ thị phổ tần số của tín hiệu u2 40 Hình 2.12. Đồ thị đáp ứng y2 của hệ thống với tín hiệu vào là u2 41 Hình 2.13. Mô hình đáp ứng tần số ước lượng được từ bộ dữ liệu thu được khi đầu vào là u2 42 2.2.1.3. Ước lượng hàm truyền đạt liên tục từ đáp ứng tần số 43 Hình 2.14. Đồ thị bode của mô hình đáp ứng tần số h13 44 Hình 2.15. Mô hình hàm truyền ước lượng được từ dãy đáp ứng tần số của mô hình h13 45 2.2.2. Hệ hồi quy tuyến tính và phương pháp bình phương cực tiểu (LSE) 45 2.2.3. Phương pháp sai số dự báo (PEM) 49 Hình 2.16. Ước lương (*) theo mô hình ARX khi hệ thống không chịu ảnh hưởng của nhiễu 56 Hình 2.17. Kết quả ước lương mô hình ARX khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng tới đầu ra sử dụng phương pháp LSE 57 Hình 2.18. Kết quả ước lượng (*) theo mô hình ARX sử dung phương pháp PEM 58 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 10 [...]... lượng hơi quá nhiệt 81 4.2.2 Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp LSE 82 Hình 4.6a Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình ARX với bậc mô hình thấp 82 Hình 4.6b Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp PEM cho mô hình ARX với bậc mô hình cao 83 4.2.3 Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp PEM cho các dạng mô hình khác nhau 84 Hình 4.7 Nhận dạng. .. các phương pháp nhận dạng Chương này trình bày những vấn đề chung về nhận dạng, các phương pháp nhận dạng trong vòng kín mà đồ án sử dụng Chương 3: Đối tượng lò hơi Chương này trình bày tóm tắt quá trình công nghệ của lò hơi và làm rõ các vòng điều khiển cần nhận dạng mô hình Chương 4: Nhận dạng lò hơi Chương này trình bày từng bước làm cụ thể với 3 phương pháp và các mô hình khác nhau để nhận dạng. .. 4.3.2 Nhận dạng mô hình áp suất theo phương pháp LSE với mô hình ARX 93 Hình 4.13 Nhận dạng áp suất theo phương pháp PEM áp dụng cho mô hình ARMAX 96 compare(Pmhv,m6,m7,m8,m9); .97 Mô hình hàm truyền liên tục bậc 2 có trễ, có điểm cực phức: 97 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 12 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng. . .Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 2.19 Kết quả ước lương (*) theo mô hình ARMAX khi đầu ra chịu tác động của nhiễu 59 Hình 2.20 Kết quả ước lương (*) theo mô hình hàm truyền đạt khi đầu ra chịu tác động của nhiễu 60 CHƯƠNG 3: ĐỐI TƯỢNG LÒ HƠI 62 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của lò hơi 62 3.2 Giải pháp điều khiển... hệ tuyến tính, nhận dạng hệ liên tục hoặc nhận dạng hệ gián đoạn, nhận dạng trên miền thời gian hoặc nhận dạng trên miền tần số, nhận dạng mô hình không tham số hoặc nhận dạng mô hình có tham số, nhận dạng mô hình rõ hoặc nhận dạng mô hình mờ, Trong điều khiển quá trình với các phương pháp kinh điển, mô hình tuyến tính bậc nhất hoặc bậc hai (có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không... Quyên 11 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín 4.2.1 Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp dựa trên đáp ứng trên miền tần số 78 Hình 4.4 Phổ tần số của các biến vào trong mô hình nhiệt độ .79 Hình 4.5a Đáp ứng tần số của nhiệt độ ứng với biến vào lưu lượng nhiên liệu 80 Hình 4.5b Đáp ứng tần số của nhiệt độ với biến vào lưu lượng nước làm mát 81 Hình. .. hưởng lớn đến chất lượng dữ liệu thu thập được Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín Từ phân tích ở phần trên (nhận dạng chủ động và bị động) ta có thể thấy rằng dữ liệu thu thập được hoặc trong vòng điều khiển hoặc khi hệ thống bị cách li khỏi vòng điều khiển Từ đó ta phân loại ra nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín Nhận dạng vòng hở được thực hiện khi vòng điều khiển phản hồi bị cách ly ra khỏi... lượng mô hình 2.2 Các phương pháp ước lượng mô hình Mục này trình bày về cơ sở lý thuyết của một số phương pháp ước lượng mô hình được sử dụng trong đồ án, và một số ví dụ áp dụng của mỗi phương pháp với mô hình trên Matlab Cơ sở lý thuyết được tham khảo và trích dẫn chính từ [3] và [4] CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG 2.2.1 Nhận dạng mô hình đáp ứng tần số Xét hệ thông tuyến tính ổn định có mô hình: ... Phân loại các phương pháp nhận dạng Các phương pháp nhận dạng vô cùng phong phú, vì thế trong khuôn khổ đề tài ta khó có thể đưa ra một cái nhìn tổng quan phù hợp Tuy nhiên, ta có thể phân loại các phương pháp từ nhiều góc nhìn khác nhau: Theo dạng mô hình sử dụng Dựa theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, người ta có thể phân biệt các phương pháp tương ứng như nhận dạng hệ phi tuyến hoặc nhận dạng hệ tuyến... Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp nhận dạng trong vòng kín, cụ thể là các phương pháp trên miền tần số bao gồm phương pháp phân tích Fourier, phân tích phổ; phương pháp bình phương tối thiểu (LSE); phương pháp sai số dự báo (PEM) Sau đó tiến hành ước lượng cho một mô hình đơn giản sử dụng các phương pháp trên, từ đó rút ra những đánh giá nhận xét cho từng phương pháp 2 Nghiên cứu khai thác sử . 4.3. Mô hình nhận dạng nhiệt độ 78 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 11 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín 4.2.1. Nhận dạng mô hình. theo phương pháp LSE với mô hình ARX 93 Sinh viên: Hoàng Lan Anh, Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Minh Quyên 4 Xây dựng mô hình động học lò hơi bằng phương pháp nhận dạng vòng kín Hình 4.13. Nhận dạng. theo phương pháp PEM cho mô hình ARX với bậc mô hình cao 83 4.2.3. Nhận dạng mô hình nhiệt độ theo phương pháp PEM cho các dạng mô hình khác nhau 84 Hình 4.7. Nhận dạng nhiệt độ theo phương pháp