Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia

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 chiế m 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
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


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


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

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



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

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

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