Header Page of 16 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt MỤC LỤC Mục lục ………………………………………………………………… .1 Danh mục hình vẽ đồ thị …………………………… …………….3 Mở đầu ………………………………………………………… ……….5 Chương1: Mở đầu………………………………………………… ……10 1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………………………10 1.1.1 Điều khiển trình 10 1.1.2 Các tính chất hệ điều khiển trình ………………… 11 1.2 Cấu trúc hệ điều khiển 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 trình gia nhiệt……………………………22 1.4.Kết luận .23 Chương : Tổng quan phương pháp điều khiên đại điều khiển trình .24 2.1 Đặt vấn đề ……………………… 24 2.2 Các phương pháp điều khiển 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt 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 đại .53 2.3.1 Phương pháp điều khiển thích nghi .53 2.3.1.1Khái niệm chung hệ thống điều khiển thích nghi 53 2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp 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 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 : Áp dụng phương pháp điều khiển đại cho trình gia nhiệt 71 Đặt vấn đề 71 3.1Đối tượng 71 3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống .72 Chương Mô hệ thống 86 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 90 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt Chương1: Mở đầu Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển cấu trúc điều khiển trình Hình 1.2: Hàm truyền trình có tính tự cân Hình 1.3: Hàm truyền trình tính tự cân Hình 1.4 cấu trúc hệ điều khiển trình Hình 1.5: Van tiết lưu Hình 1.6: Van tiết lưu cân áp hình 1.7 van servo trượt Hình1.8: Van servo chắn Hình 1.9: Can nhiệt điện Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động Chương : Tổng quan phương pháp điều khiên đại điều khiển trình Hình2.1.Cấu trúc tổng quat hệ điều khiển truyền thẳng Hình2.2 Cấu hình nối tiếp 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 nước Hình 2.6 Cấu trúc tổng quat hệ điều khiển phản hồi Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi Hình 2.9 Mô điều khiển mức với hệ số kc khác 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 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 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 FLC PID Hình 2.23 vùng tác động điều chỉnh PID Chương : Áp dụng phương pháp điều khiển đại cho 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt 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 Mô hệ thống Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào Hình 4.2 Tạo lập hàm liên thuộc cho biến Hình 4.3luật điều khiển không gian Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt Lời nói đầu Điều khiển trình lĩnh vực quan trọng kĩ thuật điều khiển ngành công nghiệp lượng hóa chất( gọi chung công nghiệp chế biến, process industry).Nội dung lĩnh vực điều khiển trình kết nối chặt chẽ tảng lý thuyết diều khiển tự động với toán trình công nghệ Phạm vi đề cập cụ thể toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển cho đối tượng trình công nghệ Điều khiển trình lĩnh vực chiếm vị trí quan trọng hàng đầu tự động hóa công nghiệp.Khác với nghàng công nghiệp chế tạo, ngày nhà máy xi măng, nhà máy điện hay nhà máy lọc dầu vận hành thiếu hệ thống điều khiển tự động Quá trình toàn cầu hóa gần tạo nhiều thị trường tiêu dùng mới, đồng thời gia tăng cạnh tranh mạnh mẽ nhiều tập đoàn sản xuất Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản xuất để tăng suất, chất lượng sản phẩm hạ giá thành sản xuất Sức ép giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu khả thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc kĩ sư phải đưa thiết kế trình công nghệ thích hợp hơn, đồng thời đặt yêu cầu cao cho hệ thống điều khiển tự động cho người kĩ sư thiết kế điều khiển nhìn từ góc độ khác, tiến công nghệ thiết bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày tạo điều kiện thuận lợi cho việc cài đặt sách lược thuật toán điều khiển tiên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt tiến.một điều đáng nói công nghệ sản xuất công nghệ thiết bị điều khiển lạc hậu sau 10-15năm, sở phương pháp luận cho thiết kế hệ thống điều khiển trình giữ nguyên giá trị sau hàng nửa kỉ-tất nhiên bổ sung phát triển tầm cao Vì việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển điều khiển trình gia nhiệt vấn đề quan trọng cấp thiết Do vậy, chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển đaị để nâng cao chất lượng điều khiển trình gia nhiệt " với mục đích nghiên cứu sau: Nghiên cứu phương pháp điều khiển đại điều khiển trình gia nhiệt Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ lưu tốc bồn nước Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề chính, chia thành chương sau: Chương Mở đầu Chương nghiên cứu kiến thức chung điều khiển trình, cấu trúc hệ thống điều khiển trình, thiết bị hệ thống điều khiển trình Chương 2:Tổng quan phương pháp điều khiên đại điều khiển trình Chương nghiên cứu phương pháp điều khiển đại, phân tích mạnh từ lựa chọn phương pháp điều khiển cho trình gia nhiệt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of LuËn v¨n16 th¹c sü kü thuËt Chương Áp dụng phương pháp điều khiển đại cho trình gia nhiệt Chương nghiên cứu tổng hợp điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể nhiệt độ lưu tốc bồn nước Chương Mô hệ thống Mô Matlap Phân tích kết đạt được, đưa kết luận Trong trình làm luận văn, giúp đỡ, bảo tận tình 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 sâu sắc Tôi nhận hỗ trợ nhiều từ thầy cô giáo Khoa Điện, trường đại học KTCN Thái Nguyên từ gia đình, bạn bè Xin trân trọng cảm ơn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Dương Mạnh Hoà Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 10v¨n of th¹c 16 sü kü thuËt LuËn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết luận văn xây dựng hoàn toàn thân nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo tham khảo tài liệu trích dẫn Học viên Dương Mạnh Hoà Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 10 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 81 v¨nof th¹c Đối với ev: Soft, Good, Hard Chọn giá trị cho biến đầu ra: CloseFast, CloseSlow, Steady, OpenSlow, OpenFast Bƣớc Xác định hàm liên thuộc: Ta chọn tập mờ có hình thang hình tam giác cân: * Rời rạc hóa hàm liên thuộc: Đối với biến vào sai lệch nhiệt độ et (temp): cold=trapmf [–30 –30 –15 0] good=trimf [–10 10] hot=trapmf [0 15 30 30] Đối với biến vào sai lệch lưu tốc ev (flow): soft=trapmf [–3 –3 –0.8 0] good=trimf [–0.4 0.4] hard=trapmf [0 0.8 3] Đối với biến tốc độ đóng mở van nước lạnh nóng: CloseFast=trimf [–1 – 0.6 –0.3] CloseSlow=trimf [– 0.6 –0.3 0] Steady=trimf [–0.3 0.3] OpenSlow=trimf [0 0.3 0.6] OpenFast=trimf [0.3 0.6 1] 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 81 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 82 v¨nof th¹c H×nh 4.1 Lưu tốc dòng nước H×nh 4.2 Nhiệt độ bồn nước H×nh 4.3 Van nước lạnh 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 82 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 83 v¨nof th¹c H×nh 4.4 Van nước nóng Bƣớc Xây dựng luật điều khiển: flow temp Soft Good Hard 0 1 2 0 flow temp Soft 1 2 Good Hard 0 1 2 Cold Good Hot OpenSlow OpenSlow CloseSlow Steady CloseFast CloseSlow Bảng luật điều khiển cho biến Cold OpenFast OpenSlow CloseSlow 0 1 2 Cold Good Hot OpenFast OpenSlow OpenSlow OpenSlow Steady CloseSlow CloseSlow Bảng luật điều khiển cho biến Hot CloseSlow CloseFast Bƣớc Giải mờ: Dùng phương pháp trọng tâm y'   y ( z )dz S   ( z )dz S 82 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 83 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 84 v¨nof th¹c * Đối tƣợng cần điều khiển: Gọi to nhiệt độ đầu vo vận tốc dòng chảy ngã Tn nhiệt độ dòng nước nóng Tl nhiệt độ dòng nước lạnh vận tốc dòng nước nóng vl vận tốc dòng nước lạnh Ta có mối quan hệ sau: to  Tn  vl Tl  vl vo   vl * Sử dụng Matlab Fuzzy để thiết kế điều khiển mờ: Từ menu Edit, chọn Add Input chọn Add Output Nhắp vào hình input1, input2, output1, output2 để sửa tên ô Name tương ứng (Hình vẽ) 83 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 84 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 85 v¨nof th¹c Nhấp kép vào hình temp để tạo lập hàm liên thuộc cho biến vào temp H×nh 4.6Tạo lập hàm liên thuộc cho biến vào Trong ô Range nhập vào miền xác định biến Vào menu Edit để thêm hàm liên thuộc Trong ô Type, chọn hàm liên thuộc hình thang (trapmf) cho hàm cold hot, chọn hàm liên thuộc hình tam giác cân (trimf) cho hàm good Ô Param dùng để nhập thông số cho hàm nhắp vào hàm Ô Name dùng để đặt tên cho hàm Làm tương tự biến flow 84 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 85 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 86 v¨nof th¹c Đối với hai biến cold hot, chọn hàm liên thuộc hình tam giác 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 86 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 87 v¨nof th¹c H×nh 4.7 Tạo lập hàm liên thuộc cho biến Trở lại FIS Editor, phần Defuzzification chọn phương pháp giải mờ Chọn phương pháp điểm trọng tâm Sử dụng Rule Editor để tạo bảng luật điều khiển cho điều khiển mờ Từ menu View, chọn Edit Rules để kích hoạt Rule Editor 86 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 87 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 88 v¨nof th¹c Để kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn View Rules 87 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 88 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 89 v¨nof th¹c Tại ô Input, ta nhập giá trị biến ngã vào để quan sát giá trị biến ngã Để xem luật điều khiển không gian, chọn View Surface menu View Tại Listbox Z(output) chọn cold hay hot để quan sát H×nh 4.7luật điều khiển không gian Sau hiệu chỉnh xong ta xuất file fis Workspace để nạp vào điều khiển mờ mô hình Simulink Các bước xuất file fis sau: b1: Lưu tên file vừa thiết kế: Từ cửa sổ FIS Editor vào File/Export/To disk lưu tên file ô File name sau nhấn Save 88 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 89 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 90 v¨nof th¹c b2: Xuất file fis: Từ cửa sổ FIS Editor vào File/Export/To workspace lưu tên file vào ô Workspace variable sau nhấp OK 89 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 90 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 91 v¨nof th¹c 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG H×nh 4.8 Sơ đồ SimulinK Để mô click đúp vào điều khiển mờ nạp tên file fis vừa xuất vào ô FIS Matrix sau nhấp OK Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vuông có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: 90 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 91 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 92 v¨nof th¹c H×nh 4.9 Đáp ứng nhiệt độ 91 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 92 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 93 v¨nof th¹c H×nh 4.10Đáp ứng lưu tốc 92 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 93 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 94 v¨nof th¹c KẾT LUẬN: Sau sử dụng điều khiển mờ vào điều khiển tự động ổn định nhiệt độ lưu tốc bồn nước, với kết mô đạt ta có nhận xét sau: nhiệt độ: - Với nhiệt độ đặt trước 230C tín hiệu thử thay đổi phạm vi từ 190C đến 230C đáp ứng đầu nhiệt độ bám sát với thay đổi tín hiệu thử với sai lêch phạm vi tương đối nhỏ khoảng ±0,5 0C Còn tín hiệu thử thay đổi trọng phạm vi từ 230C đến 270C sai lệch đáp ứng đầu tín hiệu thử vào khoảng ±1,50C lƣu tốc: Với lưu tốc đặt trước 0,7m3/h tín hiệu thử thay đổi phạm vi từ 0,5m3/h đến 0,9m3/h đáp ứng đầu lưu tốc bám sát với thay đổi tín hiệu thử, đáp ứng đầu lưu tốc tín hiệu va tín thử Tuy nhiên trạng thái xác lập ứng với thay đổi lưu tốc tồn thời gian độ tương đối dài (khoảng (35)s) độ xác - Sự biến thiên đáp ứng lưu tốc nhiệt độ nước mô hình khảo sát hoàn toàn chấp nhận hệ thống điều khiển trình gia nhiệt - Khi chọn tập giá trị mờ luật điều khiển thích hợp luật điều khiển mờ giúp hệ đạt độ xác cao, giá trị đặt nhỏ Khi vị trí đặt lớn định mức, việc giảm thời gian độ, điều khiển mờ giảm độ điều chỉnh, đặc biệt trình hãm - Hệ thống mô xét với tín hiệu đặt nhỏ, điều chứng tỏ tính bền vững cao hệ điều khiển 93 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 94 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 16.sü kü thuËt LuËn 95 v¨nof th¹c 94 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 95 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... c minh trờn hỡnh 2.1 nhiễu trình biến chủ đạo (giá trị đặt) Bộ điều khiển truyền thẳng biến điều khiển Quá trình biến cần điều khiển Hình 2.1 Cấu trúc tổng quán điều khiển truyền thẳng c im c... Bộ điều khiển G +y + a) Cấu hình song song Quá trình d Gd - r + Gd K Bộ điều khiển u G +y + b) Cấu hình nối tiếp Quá trình Kí hiệu r biến chủ đạo, giá trị đặt y biến đ-ợc điều khiển u biến điều. .. điều khiển d nhiễu trình G mô hình đối t-ợng Gd mô hình nhiễu K khâu truyền thẳng K d khâu bù nhiễu Hình 2.2 Cấu trúc tổng quán điều khiển truyền thẳng Ta cú th nhn thy mt iu thỳ v l s i xng gia