Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển mức nước bao hơi bằng bộ Pid thích nghi mờ

Chia sẻ: Codon_05 Codon_05 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

175
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển mức nước bao hơi bằng bộ Pid thích nghi mờ với mục tiêu tiến hành mô phỏng, phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển mức nước bao hơi bằng bộ Pid thích nghi mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGÔ THỊ MINH HƯƠNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG Phản biện 2: TS. NGUYỄN HOÀNG CẨM Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 06 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lò hơi được xem như là một bình kín và hơi nước đi ra từ lò hơi là kết quả của quá trình đốt cháy nhiên liệu . Trong các lò hơi, năng lượng hóa học của nhiên liệu dự trữ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và chính năng lượng nhiệt này được nước hấp thụ tạo thành hơi nước. Lò hơi là một thiết bị phức tạp, là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Do đó cấu trúc của 1 hệ thống điều khiển lò hơi cũng rất là phức tạp. Trong hệ thống lò hơi thì bao hơi là thiết bị quan trọng nhất với chức năng là cung cấp hơi quá nhiệt để quay tuabin và máy phát điện. Chính vì thế mà hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là một khâu rất cần thiết. Nhiệm vụ của hệ thống này là bảo đảm tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Nếu mức nước trong bao hơi quá cao vượt quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất của lò hơi, giảm nhiệt độ gây ảnh hưởng đến sự vận hành của tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp sơ với giá trị cho phép thì nhiệt độ trong lò hơi tăng, gây cháy lò hơi. Vì hệ thống lò hơi là một hệ thống phức tạp, do đó khi lò hơi vận hành thì việc điều chỉnh các thông số khó có thể thực hiện được cùng một lúc. Trong khi đó việc điều chỉnh mức nước bao hơi yêu cầu cần phải được thực hiện kịp thời để tránh xảy ra các trường hợp đáng tiếc. Do đó vấn đề đặt ra là làm thế nào đó để thiết kế một hệ thống tự động điều chỉnh mức nước trong bao hơi nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. Trong những năm gần đây, lý thuyết điều khiển mờ thích nghi đang được quan tâm và nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điều khiển trong thực tế. Trong bối cảnh việc điều khiển mức nước
2 bao hơi bằng cách sử dụng các bộ PID cổ điển thì tốn nhiều thời gian cho việc thay đổi các thông số khi có sự cố xảy ra. Do đó việc kết hợp mờ thích nghi trong việc điều khiển mức nước bao hơi là một giải pháp để cải thiện chất lượng của hệ thống lò hơi. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở tìm hiểu về đo mức nước trong bao hơi và nghiên cứu các phương pháp điều khiển mức bao hơi, luận văn tiến hành mô phỏng, phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ thống đo mức nước bao hơi. - Phương pháp điều khiển mức nước bao hơi. - Thiết kế hệ điều khiển thích nghi mờ bằng cách dùng bộ điều khiển tra bảng để điều khiển mức nước bao hơi. - Mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng dùng phần mềm Labview. Gồm các bước như sau : - Thu thập tài liệu, bài báo, tạp chí về chủ đề liên quan. - Nghiên cứu lý thuyết về Logic mờ và việc điều khiển mức nước bao hơi. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Labview. - Xây dựng bộ điều khiển thích nghi để điều khiển mức nước bao hơi. - Mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả. 5. Bố cục đề tài Luận văn gồm các phần chính sau đây:
3 Chương 1. GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI Chương 3. ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ Chương 4. THỰC HIỆN GIÁM SÁT LÒ HƠI DÙNG PHẦN MỀM LABVIEW 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo, các luận văn thạc sỹ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các trang web tìm hiểu. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI 1.1 CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI: 1.2 ỨNG DỤNG CỦA LÒ HƠI[7] 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG 1.3.1 Bộ điều khiển PID 1.3.2 Bộ điều khiển mờ[1] 1.4 BỘ PID THÍCH NGHI MỜ 1.4.1 Cấu trúc cơ bản của bộ PID mờ 1.4.2 Khâu mờ hóa Khâu mờ hóa có nhiệm vụ chuyển một giá trị rõ hóa đầu vào x0 thành một vector  gồm các độ phụ thuộc của các giá trị rõ đó theo các giá trị mờ ( tập mờ) đã định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào. 1.4.3 Cơ sở các luật mờ:
4 R Nếu x1 là A11 và … và xm là Am1 thì là B1 R2 Nếu x2 là A12 và … và xm là Am2 thì là B2 … Rn Nếu xn là A1n và … và xm là Amn thì là Bn Cho Nếu x1 là A*1 và … và xm là A*m Tính y là B* Hình 1.12: Các bước điều khiển mờ 1.4.4 Khâu giải mờ Bộ điểu khiển mờ tổng hợp được như trên chưa thể áp dụng được trong điều khiển đối tượng, vì đầu ra luôn là một giá trị mờ B’. Một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh phải có thêm khâu giải mờ. Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B’ thành một giá trị rõ y’ chấp nhận được cho đối tượng. Giải mờ được định nghĩa như là sự ánh xạ (sự làm tương ứng) từ tập mờ B ' trong tập cơ sở V ( thuộc tập số thực R , V  R đó là đầu ra của khối hợp thành và suy luận mờ) thành giá trị rõ đầu ra y  V . Như vậy nhiệm vụ của giải mờ là tìm một điểm rõ y  V làm đại diện tốt nhất cho tập mờ B’. 1.5 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 2.1 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI[7] 2.1.1 Hệ thống một phần tử 2.1.2 Hệ thống 2 phần tử 2.1.3 Hệ thống 3 phần tử
5 Hình 2.3: Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 3 phần tử[7] 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG SỐ PID 2.2.1 Thuật toán điều khiển PID theo phương pháp Ziegler– Nichols [12] 2.2.2 Thuật toán điều khiển PID theo phương pháp Tyreus- Luyben 2.3 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ( IMC) 2.3.1 Giới thiệu về điều khiển mô hình nội IMC [2] 2.3.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mô hình nội cơ bản [3] d s  + r s  ~ us  + qs  g p s ys  rs  - + y s  - + ~ g~p s ~ d s  Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mô hình nội 2.4 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI DỰA VÀO THUẬT TOÁN PID [3]
6 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Cấu trúc của bộ điều khiển IMC dựa vào PID [2] d s  qs  us  r s  g p s 1  g p s qs  ~ + - g c s  Hình 2.10: Thuật toán mô hình nội dựa vào PID 2.5 ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ( FEED BACK CONTROL) 2.5.1 Khái niệm 2.5.2 Vai trò của điều khiển phản hồi 2.5.3 Nhược điểm của điều khiển phản hồi 2.6 ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG ( FEED FORWARD CONTROL) 2.6.1 Khái niệm điều khiển truyền thẳng Hình 2.13: Cấu trúc điều khiển feedforward – cấu trúc song song
7 Hình 2.14: Cấu trúc bộ điều khiển feedforward – Cấu trúc nối tiếp 2.6.2 Ưu điểm của điều khiển truyền thẳng 2.6.3 Nhược điểm của điều khiển truyền thẳng - Phải xác định được nguồn nhiễu, phải đo được chính xác nguồn nhiễu. - Trong trường hợp nhận dạng sai mô hình đối tượng và mô hình nhiễu sẽ dẫn đến sai số. - Không có khả năng ổn định những hệ không ổn định. 2.7 ĐIỀU KHIỂN TẦNG ( CASCADE CONTROL) 2.7.1 Khái niệm về điều khiển tầng cascade 2.7.2 Ưu điểm của điều khiển tầng cascade 2.8 SỰ CẦN THIẾT SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ KI GPID s   k p   kd s (2.12) s Rõ ràng, u(t) phụ thuộc vào các tham số kp , TI , TD của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ thống cũng phụ thuộc theo. Mặt khác, các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, trong quá trình tính
8 toán cũng đã tiến hành tuyến tính hoá nhiều khâu, nên khi cài đặt vào thực tế cần thường xuyên chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với các chế độ vận hành để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Quá trình chỉnh định thường thực hiện theo kiểu “thăm dò”. Từ thực tế đó và những ưu việt của bộ điều khiển mờ, để giải quyết vấn đề tự chỉnh định thích hợp các tham số của bộ điều khiển PID mà không cần “thăm dò” hay chỉnh định không tự động, ta có thể thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. 2.9 ĐIỀU KHIỂN PID MỜ [7] Hình 2.20: Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ 2.10 ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 2.10.1 Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp Hình 2.21: Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp
9 2.10.2 Điều khiển mờ thích nghi trực tiếp Hình 2.22: Điều khiển mờ thích nghi trực tiếp CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID THÍCH NGHI MỜ 3.1 GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI [7] Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi 3.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI [3] Mối quan hệ giữa tốc độ lưu lượng nước cấp và mức bao hơi là:
10 0.25 s  1 g p s   (3.1) s2s  1 Với g p s  là hàm quá trình Giả sử hàm truyền của van là: 1 g v s   (3.2) 0.15 s  1 g v s  là hàm truyền của van Xét nhiễu quá trình. Nhiễu sơ cấp ảnh hướng đến mức nước bao hơi như sau: 0.25 s 1 gd1 s (3.3) s 2s 1 g d1 s  là hàm nhiễu 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI 3.3.1 Mô hình điều khiển phản hồi cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 1 phần tử 3.3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 1 phần tử Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển phản hồi cho hệ thống điều khiển bao hơi hsp là giá trị đặt hm là giá trị đo được Pv là tín hiệu áp suất được đưa đến van
11 F1 tốc độ lưu lượng truyền đến van F2 là nhiễu Để thiết kế các thông số PID của bộ điều khiển phản hồi, 3 phương pháp khác nhau được áp ụng như sau: a Phương pháp Ziegler – Nichols Đây là phương pháp đơn giản nhất để tính toán các thông số PID. Các thông số PID có là: Pu K p = 0.45 K u , K i  2 K p , K d  K p Pu 8 Cho độ lợi và chu kì dao động ở ngõ ra của bộ điều khiển là K u  4.667 , Pu  10s Khi đó ta có K p  2.1 , K i  0.42 , K d  2.625 K p  2.1 , K i  0.42 , K d  2.625 Đưa các thông số PID này vào bộ điều khiển PID của hệ thống điều khiển phản hồi. Tuy nhiên phương pháy này có nhược điểm là đáp ứng của hệ thống không ổn định. b Phương pháp Tyreus – Luyben K p  0.4545Ku , K i  K p / 2.2Pu , K d  K p Pu / 6.3 Chọn K u  4 , Pu  10s . Khi đó ta được các thông số sau K p  1.59 , Ki  0.072 , K d  2.52 c Điều khiển mô hình nội Trong quá trình này, mô hình quá trình sau được xem xét và tương ứng với ngõ ra của bộ điều khiển được tính toán. 0.25 s  1 G p s   (3.4) s 2s  10.15s  1 4s2s  10.15s  1 (3.5) Qs   s  1s  12
12 Qs  (3.6) Gc s   1  G p s   Qs  Thay (3.4) và (3.5) vào (3.6) Ta được 1.2s 3  8.6s 2  4s (3.7) Gc s      s  2  2 s  2  2 2 2  là hệ số lọc, GC s  là giá trị mong muốn của bộ điều khiển Thay   1 vào (3.7) Ta được 1.2s 3  8.6s 2  4s Gc s   (3.8) s 2  3s  4 Giá trị của hàm GC s  này được đưa đến bộ điều khiển. 3.4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VÀ TRUYỀN THẲNG 3.4.1 Mô hình điều khiển phản hồi và truyền thẳng cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 2 phần tử [3] 3.4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi và truyền thẳng cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 2 phần tử [3] 3.4.3 Sơ đồ khối mô phỏng của hệ thống điều khiển phản hồi và truyền thẳng cho hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 2 phần tử 3.5 ĐIỀU KHIỂN TẦNG [7] 0.47 s  6.8 Gcv s   (3.13) s 3.6 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ BỘ PID THÍCH NGHI MỜ 3.6.1 Các bước thiết kế bộ PID mờ Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào và ra ( mờ hóa) + Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ + Số lượng tập mờ
13 + Xác định hàm thuộc + Rời rạc hóa tập mờ Bước 3: Xây dựng luật hợp thành Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành Bước 5: Giải mờ và tối ưu hóa 3.6.2 Những lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển mờ 3.7 ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ PID MỜ 3.7.1 Cơ sở thiết kế bộ PID mờ 3.7.2 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ Bước 1: Xác định biến ngôn ngữ + Đầu vào: 2 biến - Sai lệch ( error) E - Tốc độ sai lệch ( error rate) EC + Đầu ra: giá trị điều khiển ngõ ra Số lượng biến ngôn ngữ E={ âm nhiều, âm vừa, zero, dương, dương vừa, dương nhiều} E={NB, NM, ZO, PM, PB} EC={ âm nhiều, âm vừa, zero, dương vừa, dương nhiều} EC={NB, NM, ZO, PM, PB} Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang. Các loại này có biểu thức đơn giản, tính toán dễ dàng. Xây dựng trên Labview như sau: Hình 3.11: Hàm thành viên ( phương pháp Mamdani)
14 Bước 2: Luật hợp thành Có tổng cộng là 5  5  25 luật If....Then Bảng 3.1: Luật điều khiển mờ EC NB NM ZO PM PB E NB NB NB NB NM ZO NM NB NB NM ZO PM ZO NB NM ZO PM PB PM NM ZO PM PB PB PB ZO PM PB PB PB Bước 3: Giải mờ - Thực hiện giải mờ theo quy tắc trọng tâm CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN GIÁM SÁT LÒ HƠI DÙNG PHẦN MỀM LABVIEW 4.1 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi 4.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols
15 Trong phương pháp này thì khối PID có các thông số sau: K p  2.1, Ki  0.42 , K d  2.625 Đưa các thông số này vào sơ đồ điều khiển phản hồi, thì đáp ứng ở ngõ ra có dạng như sau: Hình 4.3: Đáp ứng của ngõ ra sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols. Hình vẽ trên biểu diễn đáp ứng của hệ thống điều khiển PID dùng điều khiển phản hồi. Đáp ứng này đạt đến giá trị đặt sau khoảng thời gian rất dài. Đáp ứng hệ thống không ổn định. 4.1.2 Phương pháp Tyreus-Luyben Các thông số PID của phương pháp này như sau: K p  1.59 , K i  0.072 , K d  2.52 Hình vẽ dưới đây biểu diễn đáp ứng ngõ ra của hệ thống. Hình 4.4: Đáp ứng của ngõ ra sử dụng phương pháp Tyreus-Luyben
16 Nhìn trên hình vẽ ta thấy đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển ổn định hơn so với phương pháp Ziegler-Nichols. Tuy nhiên thời gian xác lập của bộ điều khiển PID sử dụng phương pháp này lớn. 4.1.4 Mô hình điều khiển nội Hình 4.5: Sơ đồ khối mô hình điều khiển nội Hình 4.6: Đáp ứng của ngõ ra của bộ điều khiển mô hình nội Nhìn vào hình vẽ trên ta thấy đáp ứng của hệ thống ổn định hơn và thời gian xác lập của nó thấp. Do đó đáp ứng của nó nhanh hơn để mà mức nước của lò hơi đạt đến giá trị đặt một cách nhanh chóng.
17 4.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VÀ TRUYỀN THẲNG: Hình 4.7: Sơ đồ khối của bộ điều khiển phản hồi và truyền thẳng Hình 4.8: Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển phản hồi và truyền thẳng Nhìn vào hình vẽ ta thấy ngõ ra của hệ thống loại bỏ tất cả nhiễu và các mức nước bao hơi đạt đến giá trị đặt. Tuy nhiên bộ điều khiển có nhược điểm là thời gian lên của hệ thống tăng. Để cải thiện nhược điểm này, bộ điều khiển tầng sẽ được sử dụng. 4.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦNG
18 Hình 4.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng Hình 4.10: Đáp ứng của bộ điều khiển tầng Nhìn vào hình vẽ ta thấy đáp ứng của hệ thống ổn định hơn và thời gian xác lập giảm. Đáp ứng của bộ điều khiển tầng rất nhanh so với tất cả các bộ điều khiển trên. 4.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI MỜ Sơ đồ khối của bộ PID thích nghi mờ như sau: Hình 4.11: Sơ đồ khối của bộ PID thích nghi mờ