Nghiên cứu phát triển lý thuyết điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm

- Lý do chọn đề tài Đối tượng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.
- Ngoài ra trong quá trình điều khiển thường xuất hiện các loại nhiễu ảnh hưởng khá mạnh đến thông số công nghệ đầu ra.
- Một số hệ thống điều khiển chính của lò hơi là hệ thống điều khiển mức nước trong bao hơi, hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển cấp không khí.
- Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành đó là các van điều khiển.
- Do vậy giải pháp sử dụng cấu trúc điều khiển tầng là phù hợp đối với các hệ thống điều khiển trên bởi vì ưu điểm nổi bật của điều khiển tầng là cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng như khử tính phi tuyến và bất định của đối tượng vòng trong.
- Các phương pháp chỉnh định đã biết trước đây áp dụng cho các hệ thống điều khiển quá trình trong nhà máy nhiệt điện còn khó khăn và/hoặc chưa đạt hiệu quả cao.
- Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ điều khiển nhiều tầng (hệ tầng), trong đó hầu hết tập trung vào việc giải quyết bài toán tổng hợp các bộ điều chỉnh theo mục đích bám giá trị đặt và có lưu ý đến khử nhiễu.
- Các khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên mềm” [67] được áp dụng hiệu quả để khảo sát tính ổn định của hệ thống điều khiển một vòng cho các đối tượng có trễ vận tải.
- Thêm vào đó, việc kết hợp với quan điểm “điều khiển bền vững chất lượng cao” [69] đã đơn giản hóa bài toán chỉnh định hệ một vòng.
- Tuy vậy việc áp dụng các khái niệm và quan điểm trên vẫn chưa được xét đến cho hệ tầng kể cả vấn đề đánh giá động học mà cụ thể là đánh giá độ dự trữ ổn định của hệ nhiều tầng cũng như bài toán tổng hợp và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng.
- Thực tiễn nêu trên đã định hướng tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm”.
- Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của luận án là phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng về các vấn đề đánh giá động học và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển lý thuyết cho các hệ điều khiển tầng tổng quát (hệ nhiều tầng nói chung), sau đó áp dụng để điều khiển đối tượng nhiệt.
- Ý nghĩa khoa học của luận án 2 Luận án nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống điều khiển tầng, đóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ điều khiển trong hệ tầng và chỉnh định (hay lựa chọn) tham số cho chúng.
- Độ tin cậy của kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua so sánh chất lượng điều khiển của hệ thống khi sử dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng các phương pháp nghiên khác và được chứng minh bằng thực nghiệm.
- Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ điều khiển, các tham số này được lựa chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của đối tượng nên kết quả của luận án có ý nghĩa trong việc nghiên cứu điều khiển tầng cho các đối tượng có trễ, đặc biệt là đối với các đối tượng nhiệt.
- Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau để phát triển hoàn thiện lý thuyết về hệ điều khiển tầng trong vấn đề chỉnh định hệ thống.
- Nội dung của luận án Chương 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng, trình bày một số ứng dụng điển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, đặc điểm và mô hình đối tượng quá trình nhiệt.
- Tiếp theo, tổng quan và phân tích phương pháp đánh giá dự trữ ổn định cũng như tổng hợp hệ thống điều khiển tầng trên thế giới.
- Chương 3 xây dựng phương pháp chỉnh định hệ điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng Dựa trên nền tảng lý thuyết, chương này trình bày phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển trong hệ tầng để đưa ra công thức các bộ điều khiển bền vững, sau đó thực thi chúng.
- Trong chương này, luận án cũng rút ra phương pháp và quy trình chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ thống tầng nói chung và hệ hai tầng nói riêng.
- Hệ thực nghiệm xây dựng theo cấu trúc hai vòng điều khiển mức nước trong thùng chứa có dòng chảy liên tục, bao gồm hai bộ điều khiển PID được chỉnh định theo phương pháp đã đề xuất trong luận án.
- Những kết quả khoa học chủ yếu của luận án - Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm, đặc tính mềm, luận án rút ra công thức đặc tính mềm của hệ điều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghệ nhiệt.
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm và quan điểm về điều khiển bền vững chất lượng cao, luận án rút ra cấu trúc của các bộ điều khiển trong hệ tầng.
- Luận án đề xuất phương pháp lựa chọn tham số các bộ điều khiển hệ nhiều tầng dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần số cắt và thời gian trễ của đối tượng.
- TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều tầng tổng quát thể hiện trên hình 1.3.
- Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển tầng Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt.
- y là tín hiệu ra của hệ thống.
- u là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển vòng trong cùng.
- 1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà máy nhiệt điện có hệ thống điều khiển cấp không khí, hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi.
- Mô hình điều khiển đối tượng lò hơi thể hiện trên hình 1.4.
- Hình 1.4 Mô hình điều khiển đối tượng lò hơi 4 Trong đó: Gkhói tái TH là lưu lượng khói tái tuần hoàn.
- Các kênh tác động chính là các kênh điều khiển chính còn các kênh tác động chéo được coi là nhiễu.
- Từ giữa thế kỷ trước, lý thuyết điều khiển quá trình nhiệt đã đi theo con đường phân rã thành nhiều hệ một đầu vào một đầu ra (hệ SISO) nhưng có liên hệ động với nhau và hình thành các hệ điều khiển tầng trong nó.
- 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng Một số tiêu chuẩn dự trữ ổn định được sử dụng để đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống tầng đó là: Dự trữ ổn định Pha và Biên độ theo đường cong Nyquist, dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol, dự trữ ổn định theo chỉ số dao động mềm.
- Về vấn đề tổng hợp các bộ điều khiển trong hệ tầng, có thể chia thành các hướng nghiên cứu chính: Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng PID sau đó chọn tham số.
- 1.5 Kết luận Các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong đó có hệ thống lò hơi của nhà máy nhiệt điện sử dụng cấu trúc điều khiển tầng rất phổ biến.
- Để tính toán chỉnh định hệ nhiều tầng nói chung và trong lĩnh vực điều khiển quá trình nhiệt nói riêng có thể áp dụng một số phương pháp điển hình nhưng hiệu quả áp dụng các phương pháp này còn nhiều hạn chế ví dụ Phương pháp Zigler – Nichol đơn giản nhưng cho độ quá điều chỉnh của hệ thống kín lớn và dao động nhiều.
- Phương pháp bền vững chất lượng cao cho chất lượng hệ thống tốt cả với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức tạp, khó thực thi.
- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HỆ TẦNG 2.1 Nền tảng lý thuyết 2.1.1 Chỉ số dao động và dự trữ ổn định của hệ thống Xét hệ tuyến tính có phương trình đặc tính sau: 101.
- Vậy, chỉ số dao động và hệ số tắt dần của hệ thống được xác định theo cặp nghiệm trội.
- 2.2 Áp dụng chỉ số dao động mềm để nghiên cứu hệ tầng 2.2.1 Cấu trúc một vòng tương đương của hệ tầng và hàm truyền hở của hệ thống [CT 1,4] Theo sơ đồ cấu trúc của hệ nhiều tầng hình 1.3 ta có thể biến đổi như sau: Chọn Rk làm một khâu (bộ) điều khiển và biến đổi tương đương để đi đến sơ đồ hệ một vòng tương đương như hình 2.12.
- là tổng độ trễ vận tải của khâu phản hồi thứ q và độ trễ của các khâu thuộc các vòng từ thứ q đến n Bộ điều khiển Ri(s) thường không chứa khâu trễ do đó Hq,PT(s) là hàm phân thức.
- 2.4 Kết luận - Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghiệp trong đó có quá trình nhiệt.
- Chứng minh được đặc tính mềm của hệ tầng hở hội tụ về gốc tọa độ, cho phép áp dụng các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự trữ ổn định của 9 hệ điều khiển nhiều tầng.
- Như vậy có thể dùng đặc tính mềm để đánh giá tính ổn định cũng như chất lượng đáp ứng của hệ thống điều khiển tầng.
- O(s), R(s) là các hàm truyền tương ứng của đối tượng và bộ điều khiển.
- Hệ thống bền vững nhất (tức là không có dao động), sẽ có chỉ số dao động m.
- Hàm truyền của hệ thống bền vững nhất là.
- 3.1.3 Hệ thống bền vững chất lượng cao [4, 69] Khi hệ thống có cấu trúc bền vững thì yêu cầu tiếp theo là phải đạt được sai số điều khiển nhỏ nhất có thể, tức chất lượng hệ thống đạt cao nhất có thể.
- Hệ thống như vậy được gọi là hệ thống bền vững chất lượng cao Hàm truyền hệ điều khiển bền vững chất lượng cao là: 1.
- )R s O sθs (3.8) Theo [4], bộ điều khiển bền vững có thể được thực thi bằng cách cắt bỏ thành phần trễ của đối tượng.
- Khi đó bộ điều khiển trong (3.8) có dạng: 11.
- 3.2 Phƣơng pháp tổng hợp bền vững hệ điều khiển tầng [CT 2,5] Các bộ điều khiển trong hệ nhiều tầng sẽ xác định được trên cơ sở quan điểm tổng hợp hệ bền vững chất lượng cao.
- Một hệ điều khiển tầng là bền vững chất lượng cao nếu nó đảm bảo tính chất bền vững chất lượng cao đối với mỗi hệ một vòng tương đương.
- (3.26) Từ hệ phương trình (3.26) ta thấy các bộ điều khiển R tại mỗi tầng của hệ nhiều tầng chỉ phụ thuộc vào hệ số θk của vòng đó, các hệ số θk-1, θk+1 của hai vòng liền kề và đối tượng thuộc vòng đó.
- Để có các bộ điều khiển thì cần phải xác định các hệ số θk.
- Xét trường hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt: Trong các hệ thống điều khiển các quá trình nhiệt, độ tác động nhanh của vòng trong lớn hơn hẳn so với vòng ngoài (tức là độ quán tính và độ trễ của vòng trong nhỏ hơn hẳn 11 so với vòng ngoài) do đó vòng trong làm việc ở dải tần cao hơn nhiều so với vòng ngoài.
- và (3.27) gọi là các bộ điều khiển bền vững lý tưởng và công thức (3.27) được sử dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt.
- 3.3 Thực thi bộ điều khiển bền vững Khi đối tượng có thời gian trễ (τ > 0), các bộ điều khiển theo công thức (3.27) không thực thi được bởi vì nó sẽ chứa khâu dự báo tuyệt đối (thành phần trễ dương).
- Theo [4], để đơn giản nhất khi thực thi là loại bỏ thành phần trễ này trong công thức của các bộ điều khiển.
- Khi đó hàm truyền các bộ điều khiển ở công thức (3.27) như sau: 11.
- Mặt khác nếu n +q >1 (thông thường n+q ≤ 3 và q ≤ 1với n, q trong công thức (1.7)) thì bộ điều khiển bền vững sẽ có hàm truyền bậc của tử số lớn hơn bậc của mẫu số.
- Nếu trường hợp này xảy ra cần phải bù bậc cho bộ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp bộ điều khiển với khâu lọc [CT 5] có hàm truyền: 1min knqsTs (3.31) Với: n, q là hằng số trong công thức (1.7) Tmin là hằng số thời gian nhỏ nhất của đối tượng Ok(s).
- Bộ điều khiển bền vững khả thi có cấu trúc là: 11.
- Nếu hàm truyền của đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu quán tính bậc nhất có trễ thì bộ điều khiển bền vững có dạng PI.
- Nếu hàm truyền đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu tích phân có quán tính bậc nhất có trễ thì bộ điều khiển bền vững có dạng PD.
- Nếu hàm truyền đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu quán tính bậc hai có trễ thì bộ điều khiển bền vững có dạng PID.
- 3.4 Phƣơng pháp xác định các hệ số bộ điều khiển theo chỉ số dao động mềm [CT 3] Phần này thực hiện lựa chọn các hệ số θk ở công thức (3.30).
- τk và thời gian trễ của đối tượng vòng thứ k.
- 3.5 Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của các bộ điều khiển [CT 4, 5] Trong khi tính toán hệ thống, có thể xảy ra trường hợp hệ thống thiếu dự trữ ổn định hoặc thừa dự trữ ổn định.
- Vậy phải điều chỉnh hệ thống sao cho hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước.
- Đối với hệ thống điều khiển tầng, để hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước cần phải thì cần điều chỉnh lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển để đặc tính mềm của hệ hở tương ứng đi qua điểm (-1, j0).
- 3.6 Các bƣớc thực hiện chỉnh định hệ thống điều khiển tầng 3.6.1 Trình tự tính toán các bộ điều chỉnh bền vững trong hệ nhiều tầng Bước 1: Tính toán cho vòng ngoài cùng (k =1.
- Bước 4: Tính toán khâu bù bậc cho các bộ điều khiển theo công thức (3.31).
- Thay các hệ số θk tính toán ở các bước trên và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được các bộ điều khiển bền vững.
- Bước 5: Cho trước m0 và α trong công thức của chỉ số dao động mềm (2.18) để xác định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
- Nếu đặc tính mềm của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định.
- 3.6.2 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID (bộ PID bền vững) trong hệ nhiều tầng Bước 1: Tính toán cho vòng ngoài cùng (k =1.
- Bước 4: Thay các hệ số θk tính toán được ở các bước trên vào công thức (3.30) để đưa ra công thức các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID.
- 3.6.3 Trường hợp hệ hai tầng Xét hệ thống với cấu trúc điều khiển hai tầng hình 3.4.
- Hình 3.4 Sơ đồ hệ một vòng tương đương ứng với bộ điều khiển R1 z y O2 O1 R2 R1.
- V1 14 Có hai cách thực hiện chỉnh định trong trường hợp hệ hai tầng như sau: Cách 1: Xác định các bộ điều khiển theo đối tượng từng vòng, tức là sử dụng công thức các bộ điều khiển trong (3.32).
- Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững giống như mục 3.6.1 hoặc tính toán các bộ PID bền vững giống như mục 3.6.2.
- Cách 2: Xác định bộ điều khiển vòng trong theo đối tượng vòng trong (sử dụng công thức (3.35.
- bộ điều khiển vòng ngoài theo đối tượng tương đương V1 thể hiện trên hình 3.4.
- Tổng hợp bộ điều khiển R1 theo quan điểm bền vững [4,74] sẽ được: 11111.
- Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững trong trường hợp này được thực hiện như sau: Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2.
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng trong theo công thức (3.31.
- Thay hệ số θ2 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển bền vững cho vòng trong.
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67.
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng ngoài theo công thức (3.31.
- Thay hệ số θ1 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển bền vững cho vòng ngoài.
- Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của chỉ số dao động mềm (2.18) để xác định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
- 15  Trình tự tính toán các bộ điều khiển PID bền vững Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2.
- Thay hệ số θ2 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững cho vòng trong.
- Thay hệ số θ1 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững cho vòng ngoài.
- 3.7 Đánh giá và so sánh chất lƣợng của hệ thống với bộ điều khiển bền vững Xét một hệ thống quá trình nhiệt được thể hiện trên hình 3.5.
- Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hai tầng Ở đó: O1, O2 là hàm truyền các đối tượng vòng ngoài và vòng trong.
- R1, R2 là hàm truyền các bộ điều khiển vòng ngoài và vòng trong

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt