Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng điều khiển mờ PID cho hệ thống trung hòa độ pH nước mía của nhà máy đường

Chia sẻ: Sdfas Vfdtg | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ứng dụng điều khiển mờ PID cho hệ thống trung hòa độ pH nước mía của nhà máy đường nhằm đánh giá ưu điểm của bộ điều khiển kết hợp mờ PID so với bộ điều khiển kinh điển trong điều khiển PH.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng điều khiển mờ PID cho hệ thống trung hòa độ pH nước mía của nhà máy đường

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG HÀ NGUYÊN HOÀNG NG D NG ĐI U KHI N M PID CHO H TH NG TRUNG HÒA Đ pH NƯ C MÍA C A NHÀ MÁY ĐƯ NG Chuyên nghành: T Đ ng Hóa Mã s : 60.52.60 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2012
2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Nguy n Văn Minh Trí Ph n bi n 1: PGS.TS. Nguy n H ng Anh Ph n bi n 2: TS. Nguy n Anh Duy Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m lu n văn th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng; - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
3 M Đ U 1. TÍNH C P THI T C A Đ TÀI Đi u khi n ñ pH ñư c ng d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau như công nghi p hóa ch t, sinh h c… Đ c ñi m c a quá trình ñi u khi n ñ pH cho các quá trình công nghi p r t khác nhau, m c ñ phi tuy n cao. Đ i v i các h th ng mà ñ u vào bi n ñ i theo th i gian, yêu c u ñáp ng ñ u ra có ñ chính xác cao thì nhi m v ñi u khi n r t ph c t p. Xu t phát t tình hình th c t trên, qua tìm hi u nhi u ngu n thông tin khác nhau, vi c áp d ng lý thuy t ñi u khi n hi n ñ i vào th c t còn tương ñ i ít ñ c bi t là ñ i v i các ñ i tư ng phi tuy n, trên cơ s ñó vi c xây d ng và ng d ng b ñi u khi n m PID ñ t các yêu c u k thu t là hư ng nghiên c u c a lu n văn. Đư c s t o ñi u ki n giúp ñ c a nhà trư ng, b môn T ñ ng hóa và TS Nguy n Văn Minh Trí, trong khuôn kh chương trình ñào t o sau ñ i h c c a Đ i h c Đà N ng, tôi l a ch n ñ tài t t nghi p là “ ng d ng ñi u khi n M PID cho h th ng trung hòa ñ pH nư c mía c a nhà máy ñư ng”. 2. M C ĐÍCH NGHIÊN C U - Đánh giá ưu ñi m c a b ñi u khi n k t h p M - PID so v i b ñi u khi n kinh ñi n trong ñi u khi n ñ pH - Thi t k b ñi u khi n t ñ ng thay ñ i tham s ñ gi ñ pH ñ u ra luôn n ñ nh theo m t giá tr ñ t cho trư c, trong ñ tài này, giá tr c n n ñ nh n m trong ph m vi t 6.8~7.2 pH.
4 - Phát tri n h th ng ñi u khi n m - PID dùng vi ñi u khi n Atmega32 ng d ng cho h th ng ñi u khi n ñ pH 3. Đ I TƯ NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U Đ i tư ng nghiên c u: Đ i tư ng nghiên c u c a ñ tài: H th ng ñi u khi n ñ pH c a nhà máy ñư ng thu c Nhà máy Mía ñư ng – Nhi t ñi n Ayun Pa, Huy n Ayun Pa, T nh Gia Lai Ph m vi nghiên c u: - Nghiên c u v n ñ v ñi u khi n ñ pH, ñi u khi n m , PID và m PID - Nghiên c u áp d ng ñi u khi n m PID v i ñ i tư ng có tính phi tuy n - Nghiên c u thi t k b ñi u khi n m PID trên n n t n vi ñi u khi n Atmega32 - Xây d ng ph n m m ng d ng gi i thu t ñi u khi n M - PID cho vi ñi u khi n Atmega32 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U S d ng phương pháp nghiên c u lý thuy t, mô ph ng và th c nghi m - Phương pháp nghiên c u lý thuy t: Nghiên c u tài li u, giáo trính, sách, báo vi t v các v n ñ : + Đ pH, ñi u khi n ñ pH trong các quá trình công nghi p + Đi u khi n m , PID, ch nh ñ nh tham s cho h th ng ñi u khi n M PID
5 + L p trình và thi t k m ch ñi n t , k thu t l p trình cho h th ng ñi u khi n s - Phương pháp nghiên c u mô ph ng: Nghiên c u mô ph ng h th ng trên ph n m m Matlab - Simulink - Phương pháp nghiên c u th c nghi m: Áp d ng các lý thuy t ñã nghiên c u ñ xây d ng b ñi u ñi u khi n m PID cho h th ng ñi u khi n ñ pH c a Nhà máy ñư ng – Nhi t ñi n Ayun Pa, T nh Gia Lai 5. Ý NGHĨA KHOA H C VÀ TH C TI N Đ TÀI Ý nghĩa khoa h c: - K t qu nghiên c u c a ñ tài ñư c áp d ng ñ thi t k các b ñi u khi n cho h th ng ñi u khi n ñ pH trong th c t v i ñ u vào bi n thiên l n theo th i gian, tham s quá trình không bi t chính xác. - Vi c áp d ng ñi u khi n m PID vào các b ñi u khi n s gi i quy t nhi u v n ñ v nh n d ng h th ng, h th ng có tính phi tuy n cao. Th c ti n ñ tài: - Gi i quy t ñư c yêu c u bài toán ñi u khi n ñ i tư ng phi tuy n, gi m công s c thi t k trong vi c l a ch n các tham s h th ng. - Xây d ng b ñi u khi n v n hành th c t t i Nhà máy mía ñư ng– nhi t ñi n Gia Lai. 6. B C C LU N VĂN M Đ U
6 CHƯƠNG 1: ĐI U KHI N Đ pH Gi i thi u và xây d ng mô hình h th ng ñi u khi n ñ pH cho Nhà máy ñư ng. CHƯƠNG 2: LÝ THUY T M , PID VÀ M PID Gi i thi u lý thuy t ñi u khi n m , ñi u khi n PID và xây d ng b ñi u khi n M - PID CHƯƠNG 3: THI T K B ĐI U KHI N M - PID CHO H TH NG ĐI U KHI N Đ pH Thi t k b ñi u khi n PID và M - PID d a trên h th ng xây d ng Chương 1 CHƯƠNG 4: MÔ PH NG VÀ NH N XÉT K T QU Mô ph ng k t qu b ñi u khi n xây d ng Chương 3 trên ph n m m Matlab-Simulink ñ ñánh giá ch t lư ng h th ng ñi u khi n. CHƯƠNG 5: THI T K B ĐI U KHI N M - PID TRÊN N N T NG VI ĐI U KHI N ATMEGA 32 Gi i thi u ki n trúc và l p trình cho vi ñi u khi n AVR ATMEGA 32 c a hãng Atmel. Xây d ng c u trúc ph n c ng, gi i thu t ph n m m cho b ñi u khi n M - PID trên n n t ng vi ñi u khi n ATMEGA 32. K T LU N VÀ KI N NGH PH L C
7 CHƯƠNG 1 ĐI U KHI N Đ pH 1.1. GI I THI U H TH NG ĐI U KHI N Đ pH 1.1.1. Gi i thi u h th ng ñi u khi n ñ pH c a nhà máy ñư ng Nư c mía ép Khí SO2 1 Ca(OH)2 C 2 pH Hình 1.1: H th ng trung hòa ñ pH nhà máy ñư ng Nư c mía sau khi ñi qua thi t b gia nhi t, ñư c nâng nhi t ñ lên kho ng 50÷60 0C và ñưa vào các kim phun trong thùng pha tr n s 1. V i các lưu lư ng khác nhau c a nư c mía h n h p qua các kim phun s t o ra các áp su t chân không khác nhau hút khí SO2 t m t ñư ng ng d n theo m t t l nh t ñ nh. Ph n ng sunhit hóa nư c mía h n h p nâng ñ pH lên kho ng 4÷4.5. Sau khi ñư c sunphit hóa, nư c mía và dung d ch ki m Ca(OH)2 dùng ñ trung hòa cùng ñư c ñưa vào trong m t ng d n ñ d n ñ n thùng pha tr n th hai. Dư i tác d ng c a dòng ch y xoáy trong thùng, ph n ng trung hòa x y ra. Đi u khi n ñ pH ñ u ra b ng cách ñi u ch nh lư ng Ca(OH)2.
8 1.1.2. Hàm truy n h th ng trung hòa ñ pH Quá trình trung hòa di n ra gi a axit m nh H2SO3 và Ca(OH)2 (1.1) S thay ñ i ñư c mô t theo như bi u th c sau: (1.2) (1. 3) N ng ñ cũng ph i tuân theo ph n ng ion sau: (1.4) H ng s ñi n ly kw c a nư c: (1.5) N ng ñ ion H+ quan h tương ng v i ñ pH, m i quan h này còn ñư c th hi n trong thu t ng v sai l ch n ng ñ ion X: (1.6) K t h p v i bi u th c (1.4) cho ta k t qu : (1.7) Bi u th c mô t quá trình ñ ng h c có ñư c b ng cách tr (1.3) cho (1.2) và s d ng công th c (1.7), k t qu là: (1.9) (1.10) M i quan h gi a ñ pH và n ng ñ dung d ch ñư c th hi n qua bi u th c: (1.11)
9 H ng s th i gian quá trình τ là kho ng th i gian các ch t ph n ng v i nhau trong thùng pha tr n cho ñ n khi ñư c ñưa ñ n ñ u ra: (1.12) Gi thuy t r ng dòng ch y ch t trung hòa nh hơn nhi u so v i lư ng ch t c n trung hòa, ta có d ng tuy n tính quá trình trung hòa [1]: Trong ñó: - V: Th tích c a thùng ph n ng (m3/h) - CA: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch Ca(OH)2 - CB: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch nư c mía - CO: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch ñ u ra - qA: Lưu lư ng dung d ch Ca(OH)2 - qB: Lưu lư ng dung d ch nư c mía - Qout: Lưu lư ng h n h p dung d ch sau trung hòa T ñây ta có th rút ra hàm truy n d ng tuy n tính c a h th ng trung hòa ñ pH c a nhà máy ñư ng: (1.13) Xét ñ n nh hư ng c a th i gian tr do quá trình (1.13) tr thành: (1.14) 1.1.3. Tính phi tuy n 1.1.4. Phương pháp ñi u khi n h th ng trung hòa ñ pH
10 Dùng khai tri n Macloranh hàm , ta ñư c: T (1.14) ta có: Trong ñó: uoff – là giá tr ñ pH ban ñ u c a dung d ch nhi u quá trình bao g m thay ñ i lưu lư ng dung d ch nư c mía Th c hi n phép bi n ñ i ta ñư c phương trình tr ng thái c a h th ng: Hàm truy n khâu trung hòa ñ pH ñư c bi u di n dư i d ng phương trình tr ng thái. Vì K, τ, uoff thay ñ i theo th i gian, ta có th ñ t: (1.17) Trong ñó f, b, d là phi tuy n và không xác ñ nh rõ. 1.2. ĐO LƯ NG Đ pH 1.2.1. C u t o c m bi n ño ñ pH 1.2.2. nh hư ng c a nhi t ñ ñ n ñ pH
11 CHƯƠNG 2 LÝ THUY T M , PID VÀ M PID 2.1.LÝ THUY T M 2.1.1. T ng quan ñi u khi n m 2.1.2. B ñi u khi n m 2.1.2.1. C u trúc b ñi u khi n m 2.1.2.2. Nguyên t c t ng h p b ñi u khi n m 2.1.3. Xây d ng b ñi u khi n m 2.1.3.1. Mô hình m Mamdami 2.1.3.2. Mô hình m Sugeno 2.1.4. Các bư c thi t k b ñi u khi n m 2.1.4.1. Theo mô hình m Mamdami 2.1.4.2. Theo mô hình m Sugeno 2.2. LÝ THUY T ĐI U KHI N PID 2.2.1. C u trúc b ñi u khi n PID kinh ñi n 2.2.2. C u trúc b ñi u khi n PID s 2.2.3. Ch nh ñ nh tham s b ñi u khi n PID theo Ziegler-Nichols 2.2.3.1. Phương pháp Ziegler-Nichols th nh t 2.2.3.2. Phương pháp Ziegler-Nichols th hai 2.3. B ĐI U KHI N M PID 2.3.1 D n nh p 2.3.2. C u trúc b ñi u khi n M PID
12 Sơ ñ kh i c a h th ng ñi u khi n M PID thi t k ñư c th hi n như trên hình 2.15: d(t) KI f x1d y e Đ i K tư ng - K σ Fuzzy control Hình 2.15: Sơ ñ kh i b ñi u khi n M PID Cách th c ñ xây d ng b ñi u khi n m PID b ng cách ch n tham s theo tr ng thái c a h th ng: =0 P4: K = 0 P1: K l n P2: K nh P3: K nh Hình 2.16: Qu ñ o pha tr ng thái h th ng và cách ch n K 2.3.3. Lu t ch nh ñ nh tham s R1: N u σ = dương l n thì K = dương l n R2: N u σ = dương nh thì K = dương nh R3: N u σ = 0 thì K = 0 R4: N u σ = âm l n thì K = dương l n R5: N u σ = âm nh thì K = dương nh
13 CHƯƠNG 3 THI T K B ĐI U KHI N M - PID CHO H TH NG TRUNG HÒA Đ PH 3.1.MÔ HÌNH HÓA H TH NG TRUNG HÒA Đ pH T phương trình (1.14) – chương 1, ta ch n các thông s c a h th ng như sau: B ng 3: Thông s h th ng trung hòa ñ pH TT THAM S ĐƠN V GIÁ TR 1 Th tích thùng ph n ng m3 5 2 Lưu lư ng nư c mía m3/s 0.0389 3 N ng ñ nư c mía mol/l 0.002 4 N ng ñ s a vôi mol/l 0.1 5 Th i gian tr quá trình s 50 6 Lưu lư ng s a vôi l n nh t m3/h 2 Hàm truy n h th ng: (3.1) 3.2. THI T K B ĐI U KHI N PID KINH ĐI N Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta xác ñ nh ñư c các thông s c a b ñi u khi n PID như sau: (3.3) (3.4)
14 3.3. TÍNH TOÁN THAM S B ĐI U KHI N PID KINH ĐI N T hàm truy n c a h th ng theo (3.1), ta tính ñư c các thông s c a b ñi u khi n PID theo phương pháp Ziegler-Nichols: (3.5) (3.6) (3.7) 3.4. THI T K B ĐI U KHI N M PID 3.4.1. Đ nh nghĩa các bi n ngôn ng vào ra Các bi n ngôn ng ñ u vào: Sai l ch ñ pH gi a giá tr ñ t và giá tr ño ñư c: e (pH) Đ bi n thiên ñ pH: de (pH/s) Siêu m t: σ = e FUZZY CONTROL K de Hình 3.3: M hóa ñ u vào và tính toán giá tr ñ u ra Bi n ngôn ng ñ u ra: H s khu ch ñ i K dùng ñ ch nh ñ nh b ñi u khi n PID 3.4.2. Xây d ng t p m cho t ng bi n vào ra M hóa giá tr ñ u vào: XICHMA = {AL, AN, ZERO, DN, DL} Trong ñó: AL – Sai l ch âm l n AN – Sai l ch âm nh
15 Zero – Sai l ch b ng 0 DN – Sai l ch dương nh DL – Sai l ch dương l n M hóa giá tr ñ u ra: K = {ZERO, DN, DL} Trong ñó: - ZERO : H s khu ch ñ i không - DN: H s khu ch ñ i dương nh - DL: H s khu ch ñ i dương l n 3.4.3. Xây d ng lu t h p thành Theo k t qu t chương II, ta có lu t h p thành m như sau: Hình 3.7: Xây d ng lu t h p thành m 3.4.4. Gi i m Thi t b h p thành Max – Min, gi i m b ng phương pháp tr ng tâm (Centroid of gravity - COG), ta có k t qu h s kh ch ñ i K: Hình 3.9: M t ph ng các giá tr khu ch ñ i K
16 CHƯƠNG 4 MÔ PH NG VÀ NH N XÉT K T QU 4.1.ĐÁP NG C A H TH NG KHI S D NG B ĐI U KHI N PID KINH ĐI N 4.1.1. Khi không có nhi u ñ u vào Các thông s mô ph ng c a thùng ph n ng trung hòa như sau: a= 0.0328, b= 1.95*10-4(Các tham s này ñư c tính toán theo 1.17) Đáp ng c a h th ng: Dap ung cua he thong khi khong co nhieu dau vao 9 8 7 6 5 H p 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.2: Đáp ng c a h th ng khi không có nhi u ñ u vào v i b ñi u khi n PID Sai lech pH cua he thong khi khong co nhieu dau vao 7 6 5 4 Si leh H 3 a c p 2 1 0 -1 -2 -3 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.3: Sai l ch ñ pH c a h th ng
17 4.1.2. Khi có nhi u ñ u vào Các thông s mô ph ng c a thùng ph n ng trung hòa khi có nhi u như sau: Dap ung cua he thong khi co nhieu dau vao 9 8 7 6 5 pH 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.5: Đáp ng c a h th ng khi có nhi u ñ u vào t i t=1400 4.2.ĐÁP NG C A H TH NG KHI S D NG B ĐI U KHI N M PID 4.2.1. Khi không có nhi u ñ u vào Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien mo PID 8 7 6 5 H 4 p 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.8: Đáp ng c a h th ng không có nhi u khi s d ng b ñi u khi n m PID
18 Sai lech do pH cua he thong khong nhieu khi su dung BDK Mo PID 7 6 5 4 a c H S i le h p 3 2 1 0 -1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.9: Sai l ch c a h th ng không nhi u khi s d ng b ñi u khi n M PID Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien Mo PID 9 8 7 6 5 pH 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.11: Khi tăng giá tr λ = 1.2 Nh n xét: Khi tăng giá tr λ càng l n thì ñ quá ñi u ch nh c a h th ng càng tăng nhưng th i gian xác l p tương ñ i nhanh.
19 4.2.2. Khi có nhi u ñ u vào Dap ung cua he thong co nhieu khi su dung BDK Mo PID 9 8 7 6 5 pH 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.12: Đáp ng c a h th ng khi có nhi u s d ng b ñi u khi n M PID 4.3. SO SÁNH K T QU 4.3.1. Khi không có nhi u tác ñ ng So sanh dieu khien PID va Mo PID 8 7 Mo PID 6 PID 5 H 4 p 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time Hình 4.14: So sánh ch t lư ng b ñi u khi n m PID và PID Nh n xét: Khi không có nhi u tác ñ ng, b ñi u khi n m PID cho ch t lư ng ñi u khi n t t hơn ñ quá ñi u ch nh th p, th i gian xác l p tương ñ i nhanh.
20 4.3.2. Khi có nhi u tác ñ ng So sanh chat luong bo dieu khien PID va Mo PID 9 PID 8 Mo PID 7 6 5 pH 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.16: Đáp ng h th ng khi s d ng b ñi u khi n PID và M PID So sanh sai lech dau ra bo dieu khien PID va Mo PID 7 6 5 4 Sai lech pH 3 2 1 0 -1 -2 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.17: Sai l ch pH h th ng khi s d ng b ñi u khi n PID và M PID 4.4. K T LU N B ñi u khi n m ñưa ra có ch t lư ng hơn h n b ñi u khi n PID tiêu chí ñ v t l , ñáp ng tiêu chí ban ñ u c a ñ tài. B ng vi c thay ñ i tham s I, h th ng nhanh chóng ti n ñ n xác l p. Ngoài ra, vi c thi t k và hi u ch nh b ñi u khi n M PID cũng tương ñ i ñơn gi n, kh c ph c ñư c m t s như c ñi m như khi thi t k b ñi u khi n PID.