Tổng hợp điều chỉnh mực nước bao hơi lò nhiệt

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -1-

LỜI NÓI ĐẦU

Với nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển quá trình công nghệ, các

hệ điều khiển nhiều vòng được áp dụng rộng rãi. Chất lượng điều chỉnh của

hệ nhiều vòng đã đem đến kết quả rất khả quan trong điều chỉnh công nghiệp

đặc biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối tượng điều khiển có quán tính lớn

và chịu ảnh hưởng mạnh của tác động nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều

khiển số ra đời người ta càng quan tâm nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống

điều khiển số nhiều vòng, song vì tính phức tạp của đối tượng (nhất là đối

tượng nhiệt) cho nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả

mong muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người

ta phần lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng

hợp cấu trúc bền vững cao [1] ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống

điều chỉnh liên tục. Theo phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều chỉnh có

độ ổn định rất cao, sai số điều chỉnh nhỏ, quá trình quá độ đảm bảo hệ số tắt

cao trong trường hợp đối tượng có sự thay đổi. Đối với bộ điều chỉnh số,

chúng ta cũng có thể áp dụng được quan điểm trên, song chúng ta cần phát

triển một số vấn đề cho phù hợp với đặc điểm của bộ điều khiển số.

Xuất phát từ thực tế quá trình điều khiển mức nước bao hơi của nhà

máy nhiệt điện Phả Lại 2 không tốt. Biên độ dao động lớn, thời gian điều

chỉnh kéo dài nhất là khi có sự thay đổi về phụ tải. Độ quá điều chỉnh lớn dẫn

đến mức nước bao hơi vượt ngoài khoảng cho phép, do đó hệ thống bảo vệ

tác động có khi phải dừng cả tổ máy đem lại thiệt hại lớn về kinh tế. Mặt khác

thời gian điều chỉnh kéo dài làm hư hỏng thiết bị. Một trong những nguyên

nhân chính đó là quá trình hiệu chỉnh tham số điều chỉnh không tốt. Hệ thống

hiệu chỉnh mức nước bao hơi ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 sử dụng phương

pháp truyền thống mà chủ yếu sử dụng phương pháp Ziegle – Nichols có đôi

chỗ sử dụng thuật toán thích nghi nhưng kết quả mức nước vẫn dao động lớn.

Trong đồ án này sẽ trình bày phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống



điều khiển số mức nước trong nhà máy nhịêt điện, cụ thể chọn nhà máy nhiệt

điện Phả Lại 2. Phương pháp này, dựa trên quan điểm tổng hợp bền vững tối

ưu chất lượng cao. Đề tài “Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi

trong nhà máy nhiệt điện” giải quyết những vấn đề sau:

- Chương 1: Tổng quan về phương pháp điều chỉnh.

- Chương 2: Phương pháp hiệu chỉnh hệ thống đang làm việc.

- Chương 3: Tổng hợp bộ điều chỉnh.

- Chương 4: Thí nghiệm trên mô hình vật lý.



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH.

1.1. ĐIỀU CHỈNH MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH.

1.1.1 Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò

hơi.

Hệ thống điều chỉnh cấp nước vào lò hơi đóng vai trò rất quan trọng

trong các hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống tự động điều

chỉnh cấp nước vào lò hơi là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi

ra khỏi lò hơi và lưu lượng nước cấp vào lò.

Trong quá trình hoạt động của lò hơi, sự cân bằng vật chất giữa lưu

lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò bị phá vỡ do nhiều nguyên

nhân. Một trong những nguyên nhân chính như sau: sự thay đổi lưu lượng hơi

cấp vào TuaBin; sự thay đổi nước cấp vào lò; sự thay đổi áp suất bao hơi; sự

thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, v.v…Những lý do trên dẫn đến

làm thay đổi mức nước trong bao hơi. Mức nước tăng hoặc giảm quá mức quy

định sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hơi hoặc sự cố lò hơi.

Khi mức nước bao hơi tăng quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến chất

lượng hơi. Vì khi đó ảnh hưởng tới quá trình phân ly hơi trong bao hơi, các

giọt ẩm sẽ theo hơi tràn sang bộ quá nhiệt, làm giảm quá trình truyền nhiệt

giữa hơi và khói, dẫn đến những tầng cuối của TuaBin sẽ có độ ẩm cao sẽ làm

hỏng tầng cánh TuaBin. Còn khi mức nước bao hơi thấp hơn mức yêu cầu

làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước trong hệ thống. Trong khi đó lượng

nhiệt sinh ra trong buồng lửa vẫn không đổi dẫn đến có thể làm biến dạng

hoặc phình nổ các ống sinh hơi.

Chính vì vậy, hệ thống điều chỉnh tự động cấp nước bao hơi có vai trò

rất quan trọng trong hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Có nhiệm vụ đảm bảo

mức nước bao hơi thay đổi trong một giới hạn cho phép hay nói cách khác là

đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước

cấp vào lò.



1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi.

Quá trình thay đổi mức nước trong lò có bao hơi là một quá trình rất

phức tạp. Không những bị thay đổi do cân bằng vật chất bị phá vỡ (ảnh hưởng

của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò, của sự thay đổi lưu lượng nước cấp

vào lò…) mà còn bị thay đổi do ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất trong bao

hơi, ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng…Những ảnh hưởng này lại có tác

động tương hỗ lẫn nhau và làm cho quá trình thay đổi mức nước càng trở nên

phức tạp.

Sự ảnh hưởng đó có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

d

dV

d

dV

F

1

p

'V

p

")VV(

F)"'(

1

F)"'(

DW

d

dH hbh0hnn

bhbh

(1.1)

Trong đó:

W, D: Lưu lượng nước cấp và sản lượng của lò, kg/s.

Vn, Vh: Thể tích phần chứa nước và hơi của lò, m3.

’, ”: Mật độ của nước và hơi trong lò,

Vh0: Thể tích hơi trong hệ thống ống lò, m3.

Vhbh: Thể tích hơi trong bao hơi, m3.

V = Vh + Vn: Tổng thể tích chứa môi chất trong lò, m3.

Fbh: Diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi, m2.

Thành phần thứ nhất vế phải phương trình (1.1) thể hiện ảnh hưởng của

việc phá huỷ cân bằng vật chất; thành phần thứ hai là ảnh hưởng của sự thay

đổi áp suất còn thành phần thứ ba kể đến ảnh hưởng của sôi bồng mức nước.

Phương trình (1.1) còn có thể viết dưới dạng sau:

d

dV.

F

1DaWaQa

d

dH 0h

bh321 (1.2)

Trong đó:

p

")VV(

p

'V

QT)"'(F

1a nn

bh1



p

tCG

p

')i"i(

p

"i'VV

p

'i

p

'i'V

QT)"'(F

1a kl

klklncnnbh

2

p

tCG

p

"i")VV(

p

'r

p

'i'V

QT)"'(F

1a kl

klklnnbh

3

Q: Lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, J.

Hoặc công thức (1.2) cũng có thể biểu diễn dưới dạng sau:

d

dp.

p

V

d

dD.

D

V

F

1DaWaQa

d

dH 0h0h

bh321 (1.3)

Những ảnh hưởng cụ thể của các yếu tố tới mức nước bao hơi sẽ được

trình bày dưới đây:

1.1.2.1. Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò.

Từ phương trình (1.2) ta thấy, khi thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò

nhưng vẫn không thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong lò thì lưu lượng hơi ra

khỏi lò không thay đổi và các thông số của nó cũng không thay đổi mà chỉ

thay đổi mức nước trong bao hơi. Khi lưu lượng nước cấp vào lò tăng thì mức

nước trong bao hơi tăng và ngược lại, khi lưu lượng nước cấp vào lò giảm thì

mức nước trong bao hơi giảm. Về lý thuyết thì quan hệ này là tuyến tính

nhưng thực tế do ảnh hưởng của chiều dài đường ống từ van điều chỉnh tới

bao hơi nên bị chậm trễ một khoảng thời gian nào đó và đặc điểm của đối

tượng nhiệt là quán tính lớn nên đặc tính động của lò hơi khi đại lượng điều

chỉnh là mức nước thường là một khâu tích phân quán tính có trễ.



1.1.2.2. Ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa.

Sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa trong điều kiện lưu

lượng nước cấp vào lò không thay đổi cũng làm thay đổi mức nước trong bao

hơi. Thực vậy theo phương trình (1.2):

d

dV.

F

1DaWaQa

d

dH 0h

bh321

Ta thấy, khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng lên thì mức nước

trong bao hơi tăng lên do khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng trong

khi đó áp suất lò vẫn không thay đổi tương ứng nhiệt độ bão hoà của nước

không thay đổi đẫn đến lượng hơi sinh ra trong hệ thống tăng lên, dẫn đến

việc tách tương ứng một lượng nước đưa vào bao hơi dẫn tới mức nước bao

hơi tăng. Mặt khác theo phương trình tốc độ thay đổi áp suất:

kl5h4n3

2nchh1

GVV

DQD).i(

d

dp

(1.4)

Ta lại thấy khi Q tăng thì áp suất bao hơi sẽ tăng, để áp suất bao hơi

không đổi thì sản lượng hơi ra khỏi lò phải tăng (tức D tăng). Ta lại thấy khi

D tăng trong điều kiện lưu lượng nước cấp vào lò không đổi dẫn đến cân bằng

vật chất bị phá vỡ làm giảm mức nước bao hơi.

Như vậy, khi lượng sinh ra trong lò thay đổi đột ngột trong điều kiện

giữ lưu lượng nước cấp không thay đổi thì nó ảnh hưởng tới thành phần sôi

bồng làm tăng mức nước đồng thời chúng lại ảnh hưởng tới sự phá vỡ cân

bằng vật chất làm giảm mức nước. Người ta chứng minh được rằng, ảnh

hưởng tổng hợp của hai hiện tượng như sau: lúc đầu mức nước tăng (khoảng

30 giây) sau đó giảm dần.



1.1.2.3. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất.

Khi áp suất thay đổi thì mức nước bao hơi cũng thay đổi theo. Từ

phương trình (1.2) ta thấy rằng: khi áp suất bao hơi tăng lên thì mức nước bao

hơi giảm, vì khi áp suất bao hơi tăng thì đồng thời nhiệt độ nước bão hoà

trong lò tăng trong khi đó nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa vẫn không thay

đổi dẫn đến lượng hơi sinh ra trong hệ thống giảm, điều này dẫn đến mức

nước trong bao hơi sẽ giảm. Còn khi áp suất bao hơi giảm thì hiện tượng xảy

ra nguợc lại làm cho mức nước bao hơi tăng lên. Khi áp suất thay đổi thì

không những ngoài chính bản thân nó làm thay đổi mức nước nó còn gây ra

hiện tượng sôi bồng làm thay đổi mức nước.

1.1.2.4. Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò.

Khi thay đổi sản lượng hơi ra khỏi lò tốc độ quy dẫn của hơi và tốc độ

tuần hoàn trong vòng tuần hoàn (0”,0) sẽ thay đổi dẫn đến ảnh hưởng tới

chế độ tuần hoàn của môi chất trong hệ thống lò.

Theo phương trình (1.4) ta thấy: khi tăng đột ngột sản lượng hơi ra khỏi

lò áp suất bao hơi sẽ giảm, điều này dẫn đến xảy ra hiện tượng sôi bồng làm

tăng mức nước bao hơi. Mặt khác theo phương trình (1.2) thì khi tăng sản

lượng hơi ra khỏi lò lại làm cân bằng vật chất bị phá huỷ về phía sản lượng

hơi. Do đó làm giảm mức nước. Đặc tính động của lò hơi khi sản lượng hơi

thay đổi đột ngột được biểu diễn như hình 1.1 sau:



Trong đó: H1 - đường nước giảm; H2 - đường sôi bồng; H3 - đường thực tế,

H3=H1+H2

Ta thấy lúc đầu mức nước tăng do hiện tượng sôi bồng (khoảng 30

giây) sau giảm tuyến tính do ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng tạo mức

nước giả.

1.1.3. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi.

Quá trình thay đổi mức nước trong bao hơi là một quá trình rất phức

tạp. Trong thực có thể sử dụng các loại sơ đồ điều chỉnh khác nhau, tuỳ theo

năng suất lò hơi cũng như yêu cầu công nghệ mà người sử dụng đặt ra. Người

ta có thể chia các sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi thành ba dạng cơ bản

sau:

H

t

D

T

t

H2

H1

H3 = H1+H2

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn mức trong hiện tượng sôi bồng



1.1.3.1. Hệ thống điều chỉnh một xung.

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.2 sau:

Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ

hâm nước;

Hệ thống điều chỉnh này có một tín hiệu vào bộ điều chỉnh, đó là mức

nước bao hơi (H), nó phụ thuộc vào giá trị đặt và dấu của độ sai lệch mức

nước bao hơi, bộ điều chỉnh sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi

lưu lượng nước cấp vào lò.

Từ đường đặc tính tĩnh biểu diễn trên hình 1.3 cho ta thấy quan hệ giữa

mức nước bao hơi với độ không đồng đều dương của phụ tải hơi D. Phụ tải

hơi D tăng thì mức nước bao hơi ở trạng thái ổn định giảm.

Ở hình dưới đây biểu diễn các đồ thị của quá trình quá độ quá trình

điều chỉnh được xây dựng không kể đến chậm trễ trong hệ thống và sự dao

động của quá trình.

Quá trình điều chỉnh như sau:

D

H

Hình 1.3. Đặc tính tĩnh hệ 1 xung

H

BQN

Hình 1.2. Hệ thống điều chỉnh 1 xung

Nước cấp

Định trị

BĐC

BHN

BH



Trước thời điểm t1 là đang vận hành bình thường ở phụ tải giữ không

đổi, D1 tương ứng lưu lượng nước cấp W1 và mức nước ổn định trong bao hơi

H1.

Tại thời điểm t1 vì một lý do nào đó phụ tải hơi giảm đột ngột tới giá trị

D2, điều này dẫn đến giảm mức nước bao hơi từ H1 xuống Ha do giảm thể tích

hỗn hợp hơi và nước chứa trong bao hơi và hệ thống dàn ống sinh hơi trong

buồng lửa của lò. Nhận được tín hiệu về sự giảm mức nước bao hơi, bộ điều

chỉnh bắt đầu tác động tăng độ mở của van nước cấp và từ đó tăng lưu lượng

nước cấp từ W1 đến Wa.

Sự tăng lưu lượng nước cấp vượt hơn sự tăng của lưu lượng hơi dẫn

đến cân bằng vật chất bị phá vỡ và từ đó làm tăng mức nước. Theo độ tăng

dần của mức nước mà bộ điều chỉnh giảm dần độ mở của van nước cấp tương

ứng giảm lưu lượng nước cấp vào lò từ giá trị Wa xuống W2, tương với phụ

D3

W3

Wb

D2

W2

D1

W1

Wa

t(s)

W, D

t(s)

H3

Hb

H2

Ha

H1

H

Hình 1.4. Đặc tính động quá trình điều chỉnh hệ 1 xung



tải hơi mới ra D2. Khi này phương trình cân bằng vật chất lại được xác lập và

từ đó mức nước bao hơi lại ổn định tại vị trí mới là H2. Giá trị H2 này thường

lớn hơn giá trị mức nước ổn định ở chế độ xác lập trước H1.

Và ngược lại, giả sử khi lò đang làm việc ổn định ở chế độ xác lập mới

ứng với phụ tải hơi không đổi D2, tương ứng với lưu lượng nước cấp vào lò

W2 và mức nước ổn định H2. Thì ở tại thời điểm t2 vì một lý do nào đó phụ tải

hơi lại tăng đột ngột từ giá trị D2 lên giá trị D3. Do đó dẫn đến sự giảm áp suất

bao hơi, làm tăng thể tích hỗn hợp hơi và nước trong bao hơi và hệ thống dàn

ống sinh hơi, làm tăng mức nước trong bao hơi từ H2 lên H3. Tín hiệu thay đổi

mức nước này được đưa về bộ điều chỉnh, từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu

đóng bớt độ mở van nước cấp giảm lưu lượng nước cấp vào lò từ giá trị W3

xuống Wb. Sự không tương úng giữa lưu lượng nước cấp vào lò và lưu lượng

hơi ra khỏi lò sẽ dẫn đến làm giảm mức nước trong bao hơi. Tín hiệu hiệu

giảm mức nước bao hơi này lại được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó bộ

điều chỉnh cho tín hiệu ra tăng dần độ mở của van nước cấp và tương ứng

tăng lưu lượng nước cấp vào lò cân bằng với lưu lượng hơi lấy ra. Kết quả

của quá trình điều chỉnh là: lò lại làm việc ổn định ở chế độ làm việc mới ứng

với phụ tải hơi được giữ không đổi D3 ứng với lưu lượng nước cấp W3 và

mức nước ổn định H3. Giá trị H3 này thường khác với H1 và H2.

Như vậy, quá trình phân tích ở trên ta có thể kết luận rằng: Quá trình

điều chỉnh của hệ thống một xung luôn kèm theo dao động rất lớn của mức

nước bao hơi khi phụ tải hơi ra khỏi lò thay đổi đột ngột, do đó hệ thống điều

chỉnh một xung chỉ được sử dụng với các lò hơi có sản lượng hơi nhỏ.

Thường dùng cho các lò trung áp và hạ áp.



1.1.3.2. Hệ thống điều chỉnh hai xung: H, D.

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.5. Đặc tính tĩnh hệ điều chỉnh

hai xung thể hiệ ở hình 1.6.

Bộ điều chỉnh nước cấp có hai xung lượng có hai tín hiệu vào đó là tín

hiệu mức nước H và tín hiệu hơi ra khỏi lò D.

Đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh hai xung lượng được biễu diễn

trên hình1.6 nhận được bằng cách cộng tổng các đặc tính điều chỉnh tĩnh của

bộ điều chỉnh có độ không đồng đều với đặc tính của tín hiệu theo lưu lượng

hơi. Tín hiệu theo mức nước bao hơi có quan hệ bậc hai với phụ tải hơi của lò

do đó đặc tính tĩnh của quá trình điều chỉnh có dạng như trên.


hâm nước;

Bộ điều chỉnh hai xung lượng nhận được sự thay đổi về lưu lượng nước

chỉ qua sự thay đổi về mức nước trong bao hơi, vị trí mức nước trong bao hơi

chủ yếu phụ thuộc vào phụ tải, nhưng nó còn chịu ảnh hưởng của lưu lượng

H

D

D

BQN

Hình 1.5. Hệ thống điều chỉnh hai xung

Nước

cấp

Định trị BĐC

BHN

BH

Pmin

D

Pmax

H

Hình 1.6. Đặc tính tĩnh hệ hai xung



nước cấp vào lò được xác định bằng độ chênh lệch áp suất trên van điều chỉnh

nước cấp.

Do đó, trong những điều kiện như sau vị trí của mức nước phụ thuộc

vào giáng áp trên van điều chỉnh trên hình 1.6 biểu thị hai đường đặc tính ứng

với giáng áp Pmax và Pmin. Vùng mà vị trí mức nước có thể rơi vào nằm

giữa hai đường đặc tính này.

Như vậy, khi lưu lượng hơi từ lò thay đổi bộ điều chỉnh trên sẽ tác động

trước khi mức nước trong bao hơi thay đổi, vì vậy nâng cao được chất lượng

của quá trình điều chỉnh.

Đặc tính động của hệ thống điều chỉnh hai xung được biểu diễn như

hình 1.7 sau:

Quá trình điều chỉnh như sau: Khi phụ tải của lò hơi thay đổi tăng đột

ngột, tín hiệu thay đổi lưu lượng hơi được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó

tín hiệu ra tăng độ mở của van nước cấp, tăng lưu lượng nước cấp vào lò.

Điều này dẫn đến làm tăng mức nước bao hơi vì ảnh hưởng của hiện tượng

sôi bồng mức nước (khi lưu lượng hơi tăng thì áp suất bao hơi giảm) và do

lưu lượng nước cấp tăng. Mặt khác khi tín hiệu mức nước tăng lên sẽ truyền

t

t

Hình 1.7. Đặc tính động của hệ thống

điều chỉnh hai xung



đến bộ điều chỉnh, từ đó cho tín hiệu ra giảm lưu lưọng nước cấp vào lò. Sự

giảm lưu lượng nước cấp so với lưu lượng hơi ra khỏi lò sẽ làm phá vỡ cân

bằng vật chất càng làm giảm mức nước, tín hiệu giảm mức nước này lại được

truyền đến bộ điều chỉnh tăng lưu lượng nước cấp vào lò tương ứng với sản

lượng hơi ra khỏi lò và mức nước trong bao hơi lại ổn định ở vị trí ban đầu.

Quá trình điều chỉnh kết thúc.

Hệ thống điều chỉnh hai xung lượng có nhược điểm là: nó chỉ có thể

nhân biết được sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò thông qua sự thay đổi

mức nước trong bao hơi nên quá trình điều chỉnh có sự dao động mức nước.

Nhưng hệ thống này lại khắc phục được sự dao động mức nước về phía thay

đổi phụ tải hơi.

Bộ điều chỉnh hai xung này được sử dụng với các lò hơi mà trong đó sự

thay đổi mức nước xảy ra rõ rệt, còn dao động áp suất trong đường ống cấp

nước là không lớn (ít sử dụng trong các lò có bộ giảm ôn bề mặt).

1.1.3.3. Hệ thống điều chỉnh ba xung.

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.8 sau:

Hình 1.8. Hệ thống điều chỉnh ba xung

D

H

W

D

BQN

Định trị

BĐC

BHN

BH

Nước cấp




hâm nước;

Bộ điều chỉnh ba xung lượng có ba tín hiệu vào đó là: tín hiệu mức

nước bao hơi H, tín hiệu lưu lượng hơi D, tín hiệu lưu lượng nước cấp vào

lò W.

Đây là bộ điều chỉnh tổng hợp có ba xung lượng đưa đến bộ điều chỉnh

đó là mức nước trong bao hơi (H), lưu lượng hơi ra khỏi lò (D), lưu lượng

nước cấp vào lò hơi (W).

Sơ đồ này khác với sơ đồ hai tín hiệu ở chỗ nó có thêm tín hiệu lưu

lượng nước cấp đưa trực tiếp vào bộ điều chỉnh, do đó khi lưu lượng nước cấp

vào lò thay đổi nó sẽ truyền tới bộ điều chỉnh tác động trước khi mức nước

thay đổi, như vậy sơ đồ điều chỉnh ba xung lượng đã khắc phục được nhược

điểm của sơ đồ hai xung.

Bộ điều chỉnh được hiệu chỉnh sao cho khi lưu lượng nước cấp và lưu

lượng hơi ra khỏi lò thay đổi một lượng như nhau thì chúng làm cho van điều

chỉnh di chuyển đi một lượng cũng như nhau nhưng ngược chiều nhau. Khi

hiệu chỉnh như vậy, sự thay đổi lưu lượng hơi sẽ dẫn đến sự thay đổi tương

ứng một lượng nước cấp và mức nước bao hơi sẽ không thay đổi cho tới khi

quá trình điều chỉnh kết thúc, trong trạng thái ổn định bộ điều chỉnh sẽ giữ

mức nước không thay đổi và không phụ thuộc vào phụ tải hơi của lò. Đó là ưu

điểm của bộ điều chỉnh này. Với hệ thống điều chỉnh ba xung đảm bảo chất

lượng cao, chính xác trong quá trình điều chỉnh.

Như vậy, từ đặc tính quá độ ta thấy: quá trình điều chỉnh mức nước bao

hơi bằng hệ thống ba xung luôn giữ mức nước trong bao hơi ổn định. Vì vậy

trong các lò bao hơi nó được sử dụng rất phổ biến.



1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG VỚI ĐỐI TƯỢNG KHÔNG

CÓ TỰ CÂN BẰNG.

1.2.1. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler–

Nichols.

Tổng hợp hệ thống điều khiển theo phương pháp thứ nhất của Ziegler –

Nichols thì trước hết phải nhận dạng đối tượng theo mô hình Ts1

ke)s(O

Ls

.

Hơn nữa, điều kiện để áp dụng được phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất có

trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, không có dao động và ít nhất hàm

quá độ của nó phải có dạng hình chữ S, tức đối tượng phải có tự cân bằng.

Trong trường hợp này, đối tượng đối tượng là mức nước (đối tượng không có

tự cân bằng) thì phương pháp Ziegler – Nichols không áp dụng được. Tuy

nhiên, nếu ta dùng một thủ thuật nhỏ là tách phần tích phân tích phân của đối

tượng và nhấp nó vào bộ điều khiển thì đối tượng trở thành có tự cân bằng và

khi đó phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng trở nên

dùng được nhưng chỉ đúng với bộ điều khiển P hoặc PD.

t

t

Hình 1.9. Đặc tính động của hệ thống

điều chỉnh ba xung



1.2.2. Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick–

Kuhn.

Phương pháp tổng hợp và thiết kế theo Chien – Hrones – Reswick –

Kuhn cũng phải giả thiết rằng đối tượng là ổn định tức có tự cân bằng, trong

trường hợp này cũng không áp dụng được vì đối tượng là mức nước là đối

tượng không có tự cân bằng. Tuy nhiên, nếu dùng thủ thuật như trên thì

phương pháp này cũng sẽ áp dụng được nhưng bộ điều chỉnh cũng chỉ đúng

với trường hợp là P hoặc PD.

1.2.3. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp Reinisch.

Phương pháp thiết kế thuật điều khiển của Reinisch dựa trên cơ sở mô

hình toán học của đối tượng đã xác định một cách tường minh. Mô hình động

học của đối tượng được đưa về hai dạng cơ bản sau:

* Dạng khâu nguyên hàm với mô hình đặc trưng (dạng 1):

sa...sa1

e)bs1(k

)sT1(

e)bs1(k)s(W

n1

s

dtn

1ii

s

dt

(1.5)

Với Ti là các số thực thoã mãn T1 T2 ... Tn 0 và hằng thời gian trễ là

một số thực hữu hạn không âm. Không mất tính tổng quát nếu ta giả thiết 1

hằng số thời gian lớn nhất và 2 là hằng số thời gian thứ hai.

Nếu 0 b 3 thì bộ điều chỉnh thích hợp sẽ là P hoặc PI. Trong trường

hợp 0b4 người ta lại thường hay chọn bộ điều khiển PD hoặc PID.

* Dạng khâu động học có thành phần tích phân (dạng 2).

)sa...sa1(s

e)bs1(k

)sT1(s

e)bs1(k)s(W

n1

s

idtn

1ii

s

idt

(1.6)

Với những điều kiện hạn chế giống như của công thức (1.5).



Để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống với luật điều khiển I cho đối

tượng dạng 1 và không có luật điều khiển I cho đối tượng dạng 2, Reinisch đã

đề nghị đưa hàm truyền phải có của hệ hở về dạng gần đúng sau:

)scsc1(sT

1)s(W

221

0

(1.7)

Với hai trường hợp phân biệt c2 = 0 hoặc c2 0. Tham sô T được tính bởi:

idt

idt

k

k.k

T

1 (1.8)

Và c1 được xác định từ các tham số của đối tượng như sau:

n

1i1i1 babTc (1.9)

Tham số ki của bộ điều khiển PID sẽ xác định từ T theo (1.8). Các tham

số TD1, TD2 còn lại thì được tính đơn giản là TD1 = T1 và TD2 = T2.

1.2.3.1. Điều khiển đối tượng dạng 1.

Để chọn T cho đối tượng dạng 1 ta đi từ độ quá điều chỉnh cực đại

mong muốn max thông qua hệ số chỉnh định = f(max) theo công thức:

T = c1

1dt

ick

1k (1.10)

* Cho trường hợp (1.7) có c2 = 0, hệ số chỉnh định được tính theo:

max

22

max2

ln

ln4

(1.11)

* Cho trường hợp (1.7) có c2 0 thì:

= a + c. Với a và c xác định từ max theo bảng sau.

max(%) 0 5 10 15 20 30 40 50 60

a 0 1,9 1,4 1,1 0,83 0,51 0,31 0,18 0,11

c 0 0 1 1 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4

Cho đối tượng dạng 1

Cho đối tượng dạng 2



Hằng số có thể được xác định theo các cách:

- k21

2

c

c nếu bộ điều khiển được sử dụng là I. (1.12)

- 2,1

,2

c

c nếu bộ điều khiển được sử dụng là P hoặc PI. (1.13)

- 2,,1

,,2

c

c nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD hoặc PID. (1.14)

Trong đó:

c1 = a1 – b +, 11,1 Tcc , 211

,,1 TTcc (1.15)

2

)ba)(bT(ac2

1122

, ,

112,2 cTcc , ,,

12,112

,,2 cTcTcc (1.16)

1.2.3.2. Điều khiển đối tượng dạng 2.

Ưu điểm của phương pháp Reinisch là ngay khi cả trong trường hợp

đối tượng có thành phần tích phân (dạng 2), các giá trị cần thiết cho công việc

tính toán tham số bộ điều chỉnh như ,,2

,22

,,1

,11 c,c,c,c,c,c cũng được tính giống

như cho đối tượng dạng 1.

Đối với vấn đề điều khiển đối tượng dạng 2, Reinisch đề xuất phương

pháp sử dụng bộ điều khiển P hoặc PD (không có I) và do đó theo công thức

hàm truyền đạt của bộ điều khiển thì chỉ còn hai tham số kP và TD là phải xác

định.

Với những giá trị trung gian ,,2

,22

,,1

,11 c,c,c,c,c,c , tính theo (1.12)

(1.16), ta có :

- k21

2

c

c nếu bộ điều khiển được sử dụng là P. (1.17)



- 2,1

,2

c

c nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD. (1.18)

Từ đó suy ra:

-

,,1itd

pck

1k cho bộ điều khiển P.

-

,,1itd

pck

1k và TD = TI cho bộ điều khiển PD.

Trong đó: = a + c và a, c được tính từ bộ quá điều chỉnh cực đại mong

muốn max theo bảng cho ở trên.

1.3. TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH BỀN VỮNG.

Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều chỉnh đã trình bày ở trên có

ưu điểm là khá đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên chất lượng điều chỉnh của hệ

thống không cao do không đánh giá đầy đủ các chỉ tiêu đánh giá chất lượng

điều chỉnh và gặp khó khăn khi đối tượng có trễ vận tải, có thành phần tích

phân, đối tượng bất định. Để khắc phục hạn chế trên, năm 1999 PGS.

TSKH.VS.Nguyễn Văn Mạnh đã xây dựng phương pháp tổng hợp bền vững

tối ưu chất lượng cao cho các hệ thống điều chỉnh. Quan điểm của phương

pháp này như sau:

1.3.1 Cấu trúc chất lượng cao.

Xét hệ tuyến tính có sơ đồ cấu trúc điển hình như hình 1.10:

-

y g R(s) O(s)

L B(s)

Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển



Trong đó:

g: Tác động điều khiển hệ thống (hay giá trị đặt).

L: Tổ hợp các tác động nhiễu.

y: Đại lượng điều khiển đầu ra;

R(s), O(s), B(s): Lần lượt là các hàm truyền của bộ điều chỉnh, của đối

tuợng

theo kênh điều chỉnh và theo kênh tác động nhiễu.

s: Biến số phức.

Theo sơ đồ, ta có:

WH(s) = R(s)O(s) – Hàm truyền của hệ hở. WK(s) = )s(W1

)s(W

H

H

- Hàm truyền

hệ kín theo kênh điều khiển. Ta có đáp ứng ra y = yg + yL, trong đó yg - Là

đáp ứng thành phần gây ra bởi tác động điều khiển z; yL - gây ra bởi tác động

nhiễu L. Ta có:

Yz(s) = zWK(s).

YL(s) = )s(W1

)]s(W)s(W1)[s(LB

)s(W1

)s(B.L

H

HH

H

= LB(s)[1 – WK(s)].

Y(s) = Yg + YL =gWK(s) + LB(s)[1 – WK(s)].

Từ đây dễ thấy rằng, nếu cho WK(s) 1, thì đại lượng ra sẽ là y = g.1 +

LB(s)[1-1] g. Điều này chứng tỏ rằng, nếu hàm truyền hệ thống bằng 1, thì

đại lượng đầu ra bám theo tín hiệu điều khiển đầu vào một cách chính xác

tuyệt đối, đồng thời khử hoàn toàn nhiễu tác động vào đối tượng. Để xây

dựng một hệ thống lý tưởng như vậy, theo sơ đồ điều khiển hình 1.8, đòi hỏi

hệ số khuếch đại của bộ điều khiển lớn vô cùng, vì:

WH(s) =

11

1

)s(W1

)s(W

K

K .



Điều này phi vật lý, trong thực tế không thể thực hiện được. Với khả

năng tốt nhất, chỉ có thể xây dựng một hệ thống tiến gần đến lý tưởng, tức là

thực hiện: WK(s)1.

1.3.2. Cấu trúc bền vững cao.

Có thể xây dựng hệ gần lý tưởng như trên, nếu dựa trên cơ sở những luận

cứ sau đây:

- Xét về tính ổn định, hệ thống có dự trữ ổn định càng lớn, nếu chỉ số dao

động m hay độ tắt dần tương ứng = 1 – e-2m

càng lớn. Khi đó, các

nghiệm của đa thức đặc tính của hệ thống nằm càng gần về phía phần

âm trục thực. Nếu m ( 1), thì các nghiệm trở thành các số

thực âm và hệ thống trở thành quán tính thuần tuý. Xét theo độ đo là

chỉ số dao động, thì hệ thống như vậy sẽ nằm cách vùng không ổn định

một khoảng vô cùng lớn. Như vậy, hệ quán tính thuần tuý có cấu trúc

bền vững nhất.

- Xét về bản chất vật lý, thì quá trình động học xảy ra trong một hệ thống

bất kỳ nào dều có tốc độ hữu hạn, tức là có quán tính với hằng số quán

tính khác không.

- Xét về khả năng thực thi và độ tin cậy, v.v…thì hệ thống có cấu trúc

càng đơn giản càng tốt.

Từ đó đi đến kết luận rằng, hệ điều khiển thực ổn định bền vững nhất

và đơn giản nhất là khâu quán tính: WK(s) = s1

K

. Hệ hở tương ứng là:

WH(s) sK1

K

Ở đây, nếu K >1 thì hệ hở sẽ có cấu trúc không ổn định. Vậy, chỉ có thể K 1.

1.3.3. Cấu trúc bền vững chất lượng cao.



Để cho hàm truyền của hệ thống có khả năng tiến tới 1 có nghĩa phải có

K1, 0. Phương án tốt nhất, có thể cho K = 1, còn hằng số quán tính

chọn nhỏ nhất có thể. Từ đó, hàm truyền của hệ điều khiển bền vững chất

lượng cao có dạng:

WK(s) s1

1

, >0, 0. (1.19)

Dạng (1.19) gọi là cấu trúc bền vững tối ưu của hệ điều khiển thực. Từ

cấu trúc (1.19), ta có các hàm truyền tương ứng, của hệ hở và bộ điều chỉnh

là:

WH(s) = [1 – WK(s) ] –1

WK(s) = s

1

, R(s) = WH(s)O(s)

– 1 (1.20)

1.3.4. Thực thi bộ điều chỉnh bền vững cao.

Các đối tượng điều khiển tuyến tính có mô hình tổng quát sau:

O(s) = e – s

OPT(s), OPT(s) = )s(B

)s(A. (1.21)

Trong đó - độ trễ vận tải; A(s), B(s) – các đa thức của s. Thay (1.21) vào

(1.20) ta được:

R(s) = )s(A

)s(B.

s

e)s(O

s

e s1

PT

s

.

Trong đó K(s) = )s(A

)s(B - gọi là khâu bù động học; e

s – Khâu dự báo lý tưởng.

Dễ nhận thấy rằng, khi đối tượng có trễ vận tải, mặc dù hệ thống bền

vững tối ưu ban đầu là hệ vật lý khả thực, song bộ điều chỉnh có thể không

khả thực, vì để thực hiện hàm dự báo es

phải đo được đại lượng vật lý trước

khi nó xảy ra một khoảng thời gian . Khâu dự báo chỉ có thể thực hiện gần



đúng bằng cách phân tích thành chuỗi Taylor hoặc chuỗi Pade rồi cắt bỏ phần

đuôi bậc cao. Cách đơn giản hơn là bỏ es

. Khi đó:

.)s(A

)s(Bx

s

1)s(R

(1.22)

Trong thực tế, hầu hết các đối tượng là những hệ vật lý ổn định hoặc

trung tính nên đa thức B(s) không có nghiệm nằm bên phải trục ảo. Ngoài ra,

A(s) cũng thường không có nghiệm phải. Trong trường hợp đó, cấu trúc

(1.22) thực hiện dễ dàng.

1.3.5. Tham số tối ưu của bộ điều chỉnh bền vững cao.

Với luật điều chỉnh (1.22), tham số duy nhất cần xác định là hệ số quán

tính tối ưu. Có thể xác định được giá trị này nếu dựa trên khái niệm “chỉ số

dao động mềm”.

Lưu ý rằng, không thể áp dụng khái niệm chỉ số dao động m theo nghĩa

kinh điển (m=const). Vì trong trường hợp đối tượng có trễ vận tải (>0), thì

với m=const, sự phát biểu mở rộng tiêu chuẩn ổn định Nyquist cho trường

hợp dự trữ ổn định trở nên vô nghĩa. Thật vậy, với đối tượng (1.21) hàm

truyền của hệ hở có dạng:

s

e)s(O)s(R)s(W

s

H

(1.23)

Thay s = - m + j, trong đó m là giá trị cho trước; - tần số; j – đơn vị số

ảo, ta nhận được đặc tính tần số mở rộng:

]arctgm

2[j

2

m)jm(

H e.m1

e

)jm(

e)jm(W

(1.24)



Công thức (1.24) cho ta thấy, nếu m = const >0, thì với >0 biểu thức

(1.24) sẽ là hàm phân kỳ vì

me. Do đó, đặc tính tần số mở rộng (1.24)

sẽ bao điểm (-1,j0) một số lần tuỳ ý, và như vậy tiêu chuẩn Nyquist không áp

dụng mở rộng được để đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống.

Tuy nhiên, nếu mềm hoá chỉ số m, có thể làm cho em

0 khi tần số

. Nhờ vậy đặc tính tần số mở rộng của hệ hở sẽ hội tụ và cho phép áp

dụng tiêu chuẩn Nyquist mở rộng một cách bình thường. Theo ta biết m là

một hàm đơn điệu giảm theo tần số và gọi là “chỉ số dao động mềm”(CDM):

)e1(mm 0 , 0 .

Trong đó: m0 – giá trị đầu (ở tần số = 0) của CMD; - hệ số mềm hoá; -

độ trễ vận tải của đối tượng. Với m là CDM, thì hàm WH( -m +j) gọi là

“đặc tính mềm” (ĐTM).

Theo định nghĩa, chỉ số dao động mềm xác định theo công thức:

),(fmm 1 , trong đó hàm mềm hóa:

e1),(f .

Giả sử si = i ji là nghiệm thứ i nào đó của đa thức đặc tính D(s). Ta

biết rằng, chỉ số dao động của nghiệm si chính là tỷ số: mi = i /i. Ta có thể

viết si = mi ji. Nếu các nghiệm của đa thức đặc tính có chỉ số dao động

không nhỏ hơn m0>0, có nghĩa là mi m0.

Ta vẽ trên mặt phẳng nghiệm (h. 22) đường gấp khúc AOB tạo với nửa

trục thực âm hai góc đối xứng sao cho ctg = m0. Hiển nhiên rằng si phải

nằm trong AOB, vì i /i ctg. Như vậy, đường gấp khúc AOB là biên

hạn chế và các nghiệm nằn bên phải nó có chỉ số dao động không nhỏ hơn m0

cho trước. Có thể viết những nghiệm nằm trên đường gấp khúc AOB là: s =

m0 j.



Bây giờ ta xét ý nghĩa đường biên “mềm”. Theo định nghĩa của chỉ số

dao động mềm thì đường biên giới hạn nghiệm được bẻ cong (làm mềm) về

phía tần số cao, sao cho tiến tới tiệm cận đứng khi . Theo yêu cầu đó,

chỉ số dao động để tạo đường biên, phải giảm theo tần số theo quy luật:

),(fmm 0 ,

e1),(f ,

trong đó, f(,) - gọi là hàm mềm hóa.

Đường giới hạn nghiệm theo chỉ số dao động mềm là đường cong gẫy

khúc MON với hai nhánh đối xứng (OM và ON) dường như tạo thành do uốn

cong từ hai nửa đường thẳng giới hạn đối xứng (OA và OB) theo chỉ số dao

động “cứng” (m0 = const).

Ý nghĩa của khái niệm chỉ số dao động mềm là cơ sở phương pháp phân

tích ổn định và dự trữ ổn định của hệ thống có trễ vận tải, vì với chỉ số dao

động “cứng” đặc tính tần số biên độ fa mở rộng H(m0 j) của hệ hở tiến

tới vô hạn, khi . Do đó, đã làm mất hiệu lực tiêu chuẩn Nyquist để

Hình 1.11. Mặt phẳng nghiệm và các đường giới hạn nghiệm khác nhau.

j

m0 f(,)

m1 f(,)

M M1

A

N N1

O

B

x si

i

i



phân tích dự trữ ổn định của hệ thống. Nếu áp dụng chỉ số dao động mềm, thì

ta làm việc với đặc tính mềm H(m j). Khi đó, mọi khó khăn vừa nói

trên được giải quyết trọn vẹn. Trong [Mạnh-1999] đã mở rộng và chứng minh

tiêu chuẩn Nyquist áp dụng cho dự trữ ổn định hệ thống theo chỉ số dao động

mềm và gọi nó là tiêu chuẩn dự trữ ổn định. Tiêu chuẩn này được phát biểu

như sau: Điều kiện cần và đủ để cho hệ kín (nhận được sau khi khép kín một

hệ hở) bảo tồn độ dự trữ ổn định của hệ hở tương ứng là đặc tính mềm

H(m j) của hê hở không bao điểm (-1,j0) trên mặt phẳng phức.

Nếu hệ hở ban đầu có chỉ số dao động mềm không nhỏ hơn ),(0 fmm , thì

để đảm bảo chỉ số đó sau khi khép kín hệ đó, chỉ cần hiệu chỉnh bộ điều chỉnh

sao cho đặc tính mềm H(m j) = O(m j) R(m j) không bao

điểm (-1,j0).

* Với đối tượng không đổi:

Theo tiêu chuẩn Nyquist, điều kiện cần và đủ để hệ kín bảo tồn độ dự

trữ ổn định của hệ hở tương ứng là đặc tính mềm H(-m + j) của hệ hở

không bao điểm (-1,j0) trên mặt phẳng phức, mà tốt nhất là đi qua điểm đó,

vì khi đó hệ số truyền của bộ điều chỉnh đạt lớn nhất (h. 1.11).

Dễ thấy rằng đặc tính mềm nói trên có biên độ và fa đều đơn điệu giảm

theo . Do vậy, để đảm bảo đặc tính mềm đi qua mà không bao điểm (–1,j0),

phải thỏa mãn điều kiện:

0 -1

jQ

P

H(m j)

Hình 1.12. Đặc tính mềm của hệ hở với hàm truyền



)marctg2

τ( ; 11mθ

e

2

τm

.

Rút từ phương trình (thứ nhất), sau đó thay vào bất phương trình (thứ

hai), ta nhận được điều kiện xác định hằng số quán tính bé nhất:

1m)marctg2

(m

τeθ

2

)marctg2

(m

min

, (1.25)

trong đó, m – chỉ số dao động mềm xác định tại tần số khi đặc tính mềm đi

qua điểm (-1,j0).

Giả sử tại tần số đó, m = 0,367, ta có thể xác định xấp xỉ:

min 1,203 .

Thay giá trị này vào bộ điều chỉnh tối ưu:

)s(τsO203,1

1)s(R

PT

. (1.26)

* Với đối tượng bất định.

Nếu đối tượng biến thiên tuỳ ý trong khoảng nào đó sẽ làm thay đổi độ

dự trữ ổn định của hệ thống. Ta gọi là biến thiên “xấu nhất”, khi độ dữ trự ổn

định của hệ thống đạt giá trị bé nhất. Khi đó, tương ứng ta có ĐTM “xấu

nhất” (Hình 1.11). Vấn đề đặt ra là phải xác định hệ số quán tính bé nhất, sao

cho hệ thống có dự trữ ổn định đảm bảo cho trước đối với tập hợp các biến

thiên bất định, tức đảm bảo đối với trường hợp xấu nhất. ĐTM xấu nhất của

hệ hở là đường bao ngoài của tập các biến thiên bất định. Vậy, chỉ cần xác

định sao cho đường bao đó cắt trục thực xa nhất về bên trái tại điểm (-1,j0).

Hình 1.13. Mô hình đối tượng bất định

t

y(t)

2 1

3

b,

O(s)

|M(s)|

Im

V(s)

u

v

u

v

a,



Đối tượng bất định có thể được mô tả bởi mô hình tổng gồm hàm

truyền cơ sở (không đổi) và thành phần biến thiên bất định kiểu vòng tròn:

),s()s(O)s(O~

(s) = M(s)ej

.

Trong đó: O(s) – hàm truyền cơ sở; (s) – thành phần biến thiên; M(s) -

hàm biên độ của phần bất định; [01] – bán kính bất định; [0 - 2] –

fa bất định.

Ta có hàm truyền bất định của hệ hở là:

W~

H(s) = R(s)[O(s) + M(s)ej

] = R(s)O(s) + R(s)M(s)ej

= WH(s) + R(s)ejM(s)e

j = WH(s) + R(s)M(s)e

j(r+).

W~

H(s) = WH(s) + RM(s)ej

, RM(s) = R(s)M(s).

Trong đó, WH(s) = s

e s

; = r + [r r - 2].

Thay s = - m + j và dùng cách viết (m,j) (-m + j), ta được ĐTM

bất định:

W~

H(m,j) = WH(m,j) + RM(m,j)ej

. (1.27)

Tập hợp các đường (1.27) tạo thành một dải bất định với tâm là ĐTM cơ sở.

Ký hiệu W1(s) = s

e s

, ta có WH =

)s(W1 .

RM(s) = R(s)M(s) =

)s(M

)s(O

)s(M)s(W 11 , M1(s) = )s(O

)s(M)s(W1 .

Đưa kết quả này vào biểu thức (1.27), ta được:

sinjrcosrjQPej,m(M)j,m(W

),m(W~ 1111

j11

H

HH1111 Q

~jP

~sinrQj

cosrP)j,m(W

~

Trong đó:



W1(m, j) =P1 + jQ1 = P1(m, ) + jQ1(m, ); r1=M1(m, j)= r1(m,) (1.28)

Tại điểm mà ĐTM bất định cắt trục thực, thì phần ảo của nó bằng không nên:

HQ~

= Q1 + r1sin = 0 sing =

1

1

r

Q, cos =

2

1

1

r

Q1

Thay biểu thức cos vào phần thực của ĐTM trên và rút gọn, ta được:

21

211

H

Q)r(PP~

.

Để tập các ĐTM bất định của hệ hở chỉ cắt trục thực về bên phải điểm (-1,j0),

thì HP~

1 phải thoả mãn đối với trường hợp xấu nhất, khi HP~

đạt cực tiểu. Khi

đó, trước biểu thức căn phải là dấu trừ và bán kính bất định phải đạt tối đa:

= 1. Vậy:

21

211 QrP

min 1; -

21

211 QrPmin

min =

),m(Q),m(r),m(Pmax 21

211 (1.29)

Gỉa sử, tập hợp các đối tượng bất định có chỉ số dao động không tồi

hơn CDM cho trước. Khi đó, giá trị min xác định theo (1.29) đảm bảo cho hệ

kín có dự trữ ổn định, tức chỉ số dao động không nhỏ hơn CDM cho trước.

Lời giải của bài toán (1.29) xác định biểu thức căn có nghĩa và có thể xác

định bằng phương pháp quét theo biến tần số.



CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG

ĐANG LÀM VIỆC

2.1. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐANG LÀM VIỆC.

Trong chương này trình bầy phương pháp nhận dạng trực tiếp các đối

tượng của hệ thống điều khiển tầng (nhiều vòng), đang làm việc. Đối tượng được

xét là bất định (có đặc tính không rõ ràng) và được mô hình hoá dưới dạng hàm

truyền gồm thành phần cơ sở và phần bất định cộng tính kiểu vòng tròn.

Nhận dạng là bài toán quan trọng xác định mô hình đối tượng hay quá

trình, cần thiết cho việc tổng hợp hệ thống có hiệu quả. Lý thuyết nhận dạng

cơ bản đã được trình bầy một cách hệ thống và khá đầy đủ trong các tác phẩm

kinh điển của Eykhoff [10,11], trong đó chủ yếu tập trung vào các phương

pháp nhận dạng hệ thống không có liên hệ nghịch. Nhưng trong thực tế,

thường không mong muốn hoặc không cho phép ngắt tín hiệu phản hồi vì lý

do an toàn hoặc nhiều lý do khác.

Từ cuối những năm 1970, vấn đề nhận dạng đối tượng trong hệ kín, đặc

biệt là các hệ công nghiệp, được quan tâm nhiều, trong đó coi trọng phương

pháp nhận dạng chủ động vì tính hiệu quả và độ tin cậy cao của nó. Trong

[12] xét mô hình hàm truyền tổng quát và xác định mô hình nhờ thuật toán

“tối ưu hoá vượt khe”. Tuy nhiên, cho đến nay vấn đề nhận dạng đối tượng

xét chủ yếu cho hệ một vòng.

Với nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển quá trình công nghệ, các

hệ điều khiển nhiều vòng được áp dụng rộng rãi. Trong khi đó, vấn đề nhận

dạng nhiều đối tượng đồng thời trong hệ thống đang làm việc còn ít được chú

ý. Trong chương này nêu phương pháp nhận dạng các đối tượng của hệ nhiều

tầng trong điều kiện làm việc bình thường.

Một lý do hết sức khó khăn để nhận dạng đối tượng trong nhà máy

nhiệt điện là nhà máy vẫn hoạt động bình thường không cho phép dừng lại

cũng không cho phép khởi động lại từ đầu để lấy được đặc tính của đối tượng.



Cũng có thể nhà sản xuất cũng cho chúng ta đường đặc tính đó. Song sau một

thời gian hoạt động thì đối tượng đã thay đổi không còn chính xác giống như

ban đầu nữa cho nên nếu tổng hợp hệ thống điều khiển theo số liệu đó thì hệ

thống hoạt động sẽ kém chất lượng. Vấn đề ở đây đặt ra là chúng ta phải xác

định mô hình của đối tượng trong điều kiện thực tế hệ thống đang làm việc

tức là chúng ta chỉ biết được số liệu đo được ở đầu vào và đầu ra của đối

tượng. Trong thực tế, các tín hiệu tác động và hệ thống có sự tương quan lẫn

nhau rất phức tạp. Do đó, phương pháp nhận dạng dựa vào tác động ngẫu

nhiên thường cho kết quả rất kém tin cậy.

Tuy nhiên phương pháp nhận dạng đối tượng trong hệ điều khiển nhiều

vòng của tác giả PGS.TSKH.VS. Nguyễn Văn Mạnh đưa ra trong tạp chí

Khoa Học Và Công Nghệ Nhiệt số 68 tháng 3 năm 2006 đã gải quyết được

vấn đề này. Căn cứ vào phương pháp này áp dụng để nhận dạng đối tượng ở

nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. Phương pháp nhận dạng sử dụng ở đây dựa vào

tác động bất kỳ làm hệ thống thay đổi từ chế độ xác lập này sang chế độ khác.

Bài toán nhận dạng này có thể giải bằng thuật toán tối ưu hoá “Vượt khe”

được cài sẵn trong chương trình CASCAD [8]. Ta có thể sử dụng để tìm được

mô hình đối tượng cần xác định.

2.1.1 Đặt bài toán nhận dạng hệ nhiều tầng.

Không làm mất tính tổng quát, để đơn giản ta xét hệ hai vòng (hình 2.1),

z(t) y1(t)

F2

O2 O1 R2 R1

y3(t) y3(t)

Hình 2.1. Hệ điều khiển hai vòng.



Trong đó:

O1, O2: Lần lượt là đối tượng thuộc vòng 1 và vòng 2.

R1, R2: Các bộ điều chỉnh;

F2: Khâu phản hồi của vòng điều chỉnh thứ hai.

z(t): Giá trị đặt của hệ thống.

y1(t), y2(t), y3(t): Các tín hiệu ra đo được của hệ thống.

t : Biến thời gian.

Vấn đề nhận dạng ở đây đặt ra là, hãy xác định mô hình của các đối

tượng chỉ dựa trên các số liệu đo được ở đầu vào và đầu ra của chúng. Trong

thực tế, các tín hiệu tác động vào hệ thống có sự tương quan lẫn nhau rất phức

tạp. Do đó, phương pháp nhận dạng dựa vào các tác động ngẫu nhiên thường

cho kết quả rất kém tin cậy.

Dưới đây, xét phương pháp nhận dạng dựa vào tác động bất kỳ làm hệ

thống thay đổi từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, ví dụ khi thay

đổi giá trị đặt hoặc có nhiễu mạnh. Theo hình 2.1, có thể viết hàm truyền theo

các kênh từ đầu vào z, như sau:

)]s(O)s(R)s(F)[s(O)s(R1

)s(O)s(O)s(R)s(R

)s(Z

)s(YW(s)

11222

12211y1z

, (2.1)


)s(O)s(R)s(R

)s(Z

)s(YW(s)

11222

2212y2z

, (2.2)


)s(R)s(R

)s(Z

)s(YW(s)

11222

213y1z

, (2.3)

trong đó, O1(s), O2(s), R1(s), R2(s), F(s) – hàm truyền của các khâu tương ứng

cùng tên; Y1(s), Y2(s), Y3(s) – ảnh Laplace của các đáp ứng ra: y1(t), y2(t), y3(t);

s – biến số phức;

Nếu chia (2.1) cho (2.2) và (2.2) cho (2.3), ta được:

)s(O)s(Y

)s(Yi

1i

i

, i=1,2. (2.4)



Để ý rằng, y1(t) là đáp ứng ra của O1 đối với tín hiệu vào y2(t), còn y2(t) là đáp

ứng ra của O2 đối với tín hiệu vào y3(t). Như vậy, hàm truyền của đối tượng

bất kỳ trong một hệ phức tạp có thể xác định theo tín hiệu đo được ở đầu vào

và đầu ra của đối tượng đó.

2.1.2 Xác định ảnh của tín hiệu hàm thời gian.

Ở đây có thể dùng mô hình trạng thái chứa trễ vận tải. Nhưng, để tổng

hợp hệ thống theo quan điểm bền vững chất lượng cao [6], thì tốt hơn nếu mô

hình sẵn có dưới dạng hàm truyền. Giả sử có đường cong thực nghiệm y(t),

t0 (hình 2.2).

Ta có thể xấp xỉ nó bởi một đường gấp khúc với N đoạn thẳng: A0-A1-

A2-...-AN, trong đó, đoạn cuối cùng AN-1-AN kéo dài tới vô tận. Tọa độ của các

điểm Ai là [ti , y(ti)], trong đó, điểm gốc A0 với [t0=0, y(t0)=0]. Hệ số góc của

mỗi đoạn Ai-1-Ai là:

0k,N,1i,tt

)t(y)t(yk 0

1ii

1iii

. (2.5)

Ta định nghĩa một hàm thực như sau:

ii

ii

tt,tt

,tt,0ttf . (2.6)

Khi đó, có thể biểu diễn đường gấp khúc xấp xỉ của y(t) theo công thức:

y(t) = – k0f(t-t0) + k1f(t-t0) – k1f(t-t1) + k2f(t-t1) – k2f(t-t2) + k3f(t-t3) – ... + kNf(t-

tN).

A1

A2

A3

AN-1

AN

A0

t1 t2 t3 tN-1 tN …

y(t)

Hình 2.2. Đáp ứng thời gian y(t) và đường gấp khúc xấp xỉ.



Nhóm theo từng cặp biểu thức trên, ta được:

N

1i1i1ii )tt(f)kk()t(y . (2.7)

Thực hiện phép biến đổi Laplace đối với công thức (2.7), để ý đến tính chất

(2.6), ta được:

N

1i

1ist1ii2

e)kk(s

1)t(yL)s(Y . (2.8)

Áp dụng công thức (2.8) đối với (2.4), sau khi giản ước, ta được hàm truyền

của đối tượng:

x x1i

y y1i

N

1i

stx1i

xi

N

1i

sty1i

yiyx e)kk(e)kk()s(O , (2.9)

trong đó, x(t) – tín hiệu vào; Nx, xik , x

it 1 – số đoạn xấp xỉ, hệ số góc và điểm

đầu đoạn xấp xỉ thư i của đường cong x(t); y(t) – tín hiệu ra; Ny, y

ik , y

it 1 – các

đại lượng tương tự của y(t).

2.1.3 Xác định hàm truyền của đối tượng.

Công thức hàm truyền (2.9) của đối tượng có dạng phi cấu trúc, chưa

dùng được trong bài toán tổng hợp hệ thống. Do vậy, phải đưa nó về dạng có

cấu trúc, ví dụ:

q

s.τ

nn1

mm10

yxs

e

sa...sa1

sb...sbb)X,s(W

, (2.10)

trong đó: (m,n,q) – là cấu trúc của mô hình bao gồm: bậc tử thức, mẫu thức và

bậc phi tĩnh; X={b0,b1,…,bm,a1,a2,…,an,} – véctơ tham số, trong đó, – trễ

vận tải; b0 – hệ số truyền.

Trong nhiều trường hợp, bài toán nhận dạng sẽ giải dễ dàng hơn, nếu thay vì

(2.10), dùng mô hình dưới dạng tích các nhân tử tam thức:



q

s.τ

243

221

243

221

0yxs

e

)...sasa1)(sasa1(

)...sbsb1)(sbsb1(b)X,s(W

, (2.11)

trong đó, các hệ số bi chỉ tồn tại với i=0,1,…m, còn ai chỉ tồn tại với

i=1,2,…n.

Nếu chắc chắn đối tượng là một khâu phi chu kỳ, có thể dùng dạng tích các

nhị thức:

q

s.τ

n21

m210yx

s

e

)sb1)...(sa1)(sa1(

)sb1)...(sb1)(sb1(b)X,s(W

. (2.12)

Để xác định cấu trúc và các tham số của mô hình, có thể đặt bài toán

mô hình hoá tối ưu theo điều kiện tổng bình phương sai lệch tối thiểu trong

miền phức:

X

N

1i

2

iyxiyxo min)s(O)X,s(W)X(E

. (2.13)

Nếu cho s=j; 1j - đơn vị ảo, - tần số, ta có bài toán tối ưu hóa mô

hình như sau:

X

N

1i

2

iyxiyxo min)j(O)X,j(W)X(E

. (2.14)

Bài toán (2.14) có thể giải bằng thuật toán tối ưu hoá “Vượt khe hướng chiếu

affine” [13] với nhiều cấu trúc (m,n,q) khác nhau. Sau đó, chọn lời giải tốt

nhất ),( *XsWyx - ứng với tổng bình phương sai lệch nhận được bé nhất. Ta gọi

đó là mô hình cơ sở, nó mang ý nghĩa “trung bình” tối ưu trong miền sai số

của đối tượng.

2.1.4 Sai số mô hình hóa và mô hình bất định.

Vì đặc tính của đối tượng thực có thể chiếm vị trí bất kỳ trong miền sai

số, do vậy nói chung đối tượng thực không trùng với mô hình cơ sở. Theo

quan điểm tổng hợp bền vững [5,6,13], để lường trước các biến thiên đó, có

thể dùng mô hình bất định như sau:



joyx

~yx e)s(M)s(W)s(W , (2.15)

trong đó, )s(Woyx = )X,s(W *

yx – mô hình cơ sở; je)s(M – thành

phần bất định kiểu đĩa tròn; - bán kính bất định trong khoảng ]10[ ; –

fa bất định trong khoảng ]02[ ; )s(M – gọi là “nhân” bất định, có thể

chọn một trong những dạng (2.10)-(2.12) với 0. Vì | se | 1 nên giá trị

không ảnh hưởng đến |M(s)| của thành phần bất định.

Cho s = j, ta được đặc tính tần số bất định:

joyx

~yx e)j(M)j(W)j(W . (2.16)

Ta thấy, ứng với mỗi xác định, cặp biến , sẽ tạo ra một điểm của

đường cong )(~ jWyx nằm trên đĩa tròn, tâm là )( jW oyx và bán kính bằng

)( jM . Nếu thay đổi từ 0 đến , thì mô hình (2.16) vẽ lên một đường đặc

tính tần số biến thiên bất định.

Vậy, để mô hình (2.15) mô tả được toàn bộ dải bất định của đối tượng,

nhờ đó đảm bảo hiệu quả giải bài toán tổng hợp, thì tập các thể hiện (2.16)

phải bao trùm các trường hợp biến thiên có thể của đối tượng. Yêu cầu đó

được thể hiện bằng bài toán tối ưu hóa sau:

A

N

1i

2

iiv min)j()A,j(M)A(E

, (2.17)

0)A,j(M)j( , (2.18)

trong đó, M(s,A) – “nhân” bất định, có thể chọn một trong các dạng

(2.10)-(2.12) với 0 (vì | se | 1, không làm thay đổi |M(s)|; (j) - sai

lệch giữa đặc tính thực nghiệm (2.9) và mô hình cơ sở, xác định theo công

thức:

)j(W)j(O)j( ioyxiyxi , N,1i . (2.19)

Ở đây, điều kiện ràng buộc (2.18) đảm bảo cho tập hợp các đặc tính bất

định (2.16) phủ lên các biến thiên bất định có thể của số liệu thực nghiệm. Để



giải bài toán (2.17)-(2.18), cách hiệu quả nhất là đưa nó về dạng bài toán tối

ưu hóa vô điều kiện tương đương [13], như sau:

A

N

1i

2

ii min)A(p)j()A,j(M)A(J

, (2.20)

trong đó, (A) – “hàm phạt” luôn dương, xác định theo quan hệ:

2)A(g)A(g)A( , )A,j(M )j(max)A(g iii

; (2.21)

p>0 - hệ số phạt đủ lớn, ví dụ chọn trong khoảng: 10106.

Dễ thấy rằng với hệ số p đủ lớn, lời giải của bài toán (2.20) hoàn toàn

thỏa mãn (2.17)-(2.18), tức là chúng tương đương nhau. Hàm J(A) thường có

khe sâu dọc theo biên ràng buộc (2.21), do vậy, ở đây hiệu quả nhất là áp

dụng thuật toán tối ưu hóa “Vượt khe hướng chiếu affine”.

Có thể tóm tắt trình tự nhận dạng đối tượng trong hệ đang làm việc,

gồm các bước sau:

- Đầu tiên, căn cứ vào thời điểm xuất hiện tín hiệu nào đó tác động vào hệ

thống, ghi lại các quá trình thay đổi tín hiệu ở phía đầu vào và đầu ra của đối

tượng cần xét.

Chọn dải tần ảnh hưởng nhất (dải cơ bản): minmax, và xác định N giá trị tần

số phân bố theo cấp số nhân: 1=min, i+1=qi, i=1,2,…,N-1,

q=(max/min)1/(N-1)

. Sau đó, theo (2.9) tính mảng Oyx(ji), i=1,2,…,N. Có thể

bổ sung số liệu từ các thí nghiệm trước đó.

- Đặt mảng Oyx(ji) vào (2.14). Dùng thuật toán vượt khe giải bài toán này

với nhiều cấu trúc khác nhau của mô hình cơ sở. Kết quả thu được hàm truyền

cơ sở tối ưu )( jW oyx .

- Tính theo (2.19) sai lệch giữa mô hình cơ sở và số liệu thực nghiệm:

(ji), i=1,2,…,N.

- Giải bài toán (2.20) bằng thuật toán vượt khe, nhận được “nhân” bất

định tối ưu: M(s,A*). Từ đó có mô hình (2.15) phủ lên các đặc tính tần

số thực nghiệm đã xét của đối tượng.



2.2. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG THEO SỐ LIỆU VẬN HÀNH BÌNH THƯỜNG

TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 2.

2.2.1. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy.

Hệ thống điều khiển mức nước nằm trong tổ hợp hệ thống điều khiển

DCS của toàn bộ nhà máy. Hệ thống điểu khiển mức nước bao hơi của nhà

máy sử dụng hai khối PID điều khiển là: PID điều khiển vòng ngoài và bộ

PID điều khiển vòng trong. Ngoài ra trong sơ đồ điều khiển còn sử dụng các

khối tính toán để sử lý kết quả đo đạc từ các đầu đo gửi về. Tín hiệu đo mức

nước của bao hơi được lấy từ bốn đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của

tín hiệu. Đồng thời những kết quả này còn được hiệu chỉnh qua áp suất của

bao hơi để tăng độ chính xác cho kết quả đo. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

mức nước bao hơi được trình bày ở hình trang bên.

Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau:

Trong đó:

g: Giá trị đặt bằng số.

L: Tổ hợp tác động nhiễu.

H: Đáp ứng đầu ra của hệ thống.

R1, R2: Lần lượt bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng trong.

-

L

g H(t)

- O2(s) R2 O1(s) R1

B(s)

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển

%(t) q(t)



O1, O2, B: Lần lượt là đối tượng mức nước và van cấp nước của hệ

thống theo kênh điều chỉnh và đối tượng theo kênh tác động nhiễu.

2.2.1. Nhận dạng đối tượng.

Từ những lý luận ở trên kết hợp với những số liệu thu thập được ở nhà

máy Nhiệt Điện Phả Lại 2 ta đi nhận dạng đối tượng theo số liệu đang vận

hành bình ở nhà máy.

Ta khảo sát ở các chế độ tải 300 MW (ứng với chế độ tải 100%); 220

MW (ứng với chế độ tải 75%) và 150 MW (ứng với chế độ tải 50%). Ở dải

rộng công suất như vậy kết quả thu được sẽ đem đến sự tin cậy cũng như đại

diện được cho đối tượng ta đang xét.

Theo lý luận trên để xác định đối tượng đang vận hành, thì yếu tố quan

trọng là phải xác định tín hiệu vào và ra khỏi đối tượng. Qua theo dõi đồ thị

vận hành của nhà máy, khi thấy sự thay đổi của tải làm cho hệ thống chuyển

từ trạng thái xác lập này sang chế độ xác lập khác ta ghi lại sự thay đổi đó

dưới dạng bảng số, sau đó dùng chương trình CASCAD vẽ đặc tính thời gian

như các hình dưới đây rồi chuyển số liệu sang tần số biên độ pha. Điều quan

trọng mà ta cần lưu ý trong phương pháp này là điểm lấy tín hiệu vào ra là

phải cùng thời điểm và có sự thay đổi (xuất hiện xung tác động) của tín hiệu

tác động đầu vào. Thời gian đủ dài sao cho hệ thống đã xác lập trở lại sau quá

trình điều chỉnh của bộ điều chỉnh.

2.2.1.1. Nhận dạng đối tượng vòng trong và vòng ngoài.

* Xét ở chế độ tải 300MW, 220 MW, 150 MW khi thấy sự thay đổi tải

ta ghi lại sự thay đổi đó dưới dạng bảng số liệu rồi vẽ lại trên hệ trục toạ độ ta

có được như sau (số liệu ở phụ lục):



Hình 2.4. Tín hiệu thay đổi mức nước bao hơi H(mm) khi có tác động nhiễu lưu

lượng hơi. 1, 2, 3 - nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW.

%

Hình 2.5. Tín hiệu thay đổi độ mở của van khi có tác động nhiễu lưu lượng hơi. 1, 2, 3

nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW.



Từ số liệu ở trên, trong chế độ đồ thị của CASCAD ta dựng đặc tính tần

số của nó tương ứng với ba phụ tải nói trên. Sau đó căn cứ theo các đường đặc

tính tần số xác định các bộ số tần số cho bài toán nhận dạng, xác định hàm

truyền của đối tượng tương ứng với mỗi phụ tải. Kết quả nhận dạng bằng

phương pháp “Vượt khe” [8] cho ta các mô hình hàm truyền của đối tượng ở

các phụ tải khác nhau.

2

991,3711

s723,56s063,01

522,7

s

e)s(O

;

2

236,4121

s561,7s086,01

37,2

s

e)s(O

;

2

529,1931

s157,4s074,01

487,3

s

e)s(O

.

Các hàm truyền khác nhau này chứng tỏ rằng ở miền phụ tải làm việc

của mình đối tượng điều chỉnh có tính chất động học thay đổi một cách bất

định. Các hàm truyền nhận được ở các tải khác nhau: 300, 220, 150 MW là một

số dạng cụ thể của tập hợp những biến thiên bất định của đối tượng bất định.

Hình 2.6. Tín hiệu thay đổi lưu lượng nước cấp q (kg/s). 1, 2, 3

nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW.



Ta nhận thấy ở mỗi chế độ tải khác nhau cho một đường đặc tính tần số

biên độ pha khác nhau mà nguyên nhân do bản chất phi tuyến của đối tượng.

Như vậy đối tượng của ta là đối tượng bất định việc nhận dạng theo mô hình

sau:

O(s) = O0(s) + (s)

Quá trình nhận dạng đối tượng bất định ở đây bắt đầu bằng việc xác

định mô hình hàm truyền cơ sở của đối tượng.

Dựa trên các bộ số liệu tần số vừa tính được tiến hành bước tối ưu hoá

mô hình hàm truyền cơ sở sao cho hàm mục tiêu, tức tổng các bình phương

sai số của mô hình đạt giá trị bế nhất. Quá trình tối ưu hoá mô hình thực hiện

trên CASCAD theo phương pháp “Vượt khe” [8]. Kết quả tối ưu hoá cho hàm

truyền cơ sở của đối tượng là:

)s043,40s627,121(s

e604,4)s(O

2

s926,24

1

Hình 2.7. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng



Đường đặc tính tần số của mô hình cơ sở nhận được trên đây dẫn trên

hình 2.7. Bước tiếp theo là xác định phần biến thiên bất định của mô hình. Để

làm việc đó người ta xác định độ biến thiên lớn nhất của đặc tính tần số so với

đặc tính cơ sở. Đó là, tại mỗi điểm (ứng với mỗi tần số) trên đường cong đặc

tính tần số cơ sở người ta lấy làm tâm và xác định một hình tròn sao cho với

bán kính bé nhất mà nó chứa tất cả các điểm đặc tính tần số biến thiên.

Sau khi xác định các bán kính tối thiều nói trên, tức độ biến thiên tối đa

của mô hình ứng với một loạt giá trị tần số trong giải ta cần xét, người ta tiến

hành bước tối ưu hoá mô hình phần biến thiên trên các cáp theo thuật toán

“Vượt khe”. Kết quả, nhận được mô hình phần biến thiên tối đa phần bất định

như sau:

je.

s007,01

562,2.

s

1)s( , với [01], [02] , s = j .

Hàm truyền của đối tượng vòng ngoài O1 là:

j

2

24,926s- e.s007,01

562,2.

s

1

)s043,40s627,121(s

14,604eO(s)

với [01], [02] , s = j .

Tương tự bằng thao tác nhận dạng trong CASCAD ta thu được hàm

truyền của đối tượng vòng trong O2 là:

s304,01

006,3e)s(O 638,9

2



2.2.1.2. Nhận dạng đối tượng theo kênh nhiễu.

Kết quả nhận dạng bằng phương pháp “Vượt khe” [8] cho ta hàm

truyền đối tượng là:

)s069,01(s

e58,1)s(B

417,2

.

Hình 2.8 Sự thay đổi về mức nước.

Hình 2.9. Sự thay đổi lưu lượng hơi



CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN

Trong chương này trình bày phương pháp để tổng hợp hệ thống điều

khiển số cho hệ điều chỉnh hai tầng và tính toán bộ điều chỉnh mức nước bao

hơi cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2.

3.1. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO HỆ HAI VÒNG.

Chất lượng điều chỉnh của hệ hai vòng đã đem đến kết quả rất khả quan

trong điều chỉnh công nghiệp đặc biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối

tượng điều khiển có quán tính lớn và chịu ảnh hưởng mạnh của tác động

nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều khiển số ra đời người ta càng quan tâm

nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống điều khiển số hai vòng, song tính phức

tạp của hệ thống nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả

mong muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người

ta phần lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng

hợp cấu trúc bền vững cao [1] ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống

điều chỉnh liên tục cũng như bộ điều chỉnh số đem đến lời giải đơn giản mà

có hiệu quả cao.

Dưới đây sẽ trình bày phương pháp phân tích hệ thống để tổng hợp hệ

thống điều khiển số cho hệ hai tầng dựa trên quan điểm bền vững tối ưu chất

lượng cao.

Giả sử ta có một hệ thống điều khiển số hai tầng có cấu trúc như (hình

1) dưới đây, trong đó g – giá trị đặt bằng số; L - tổ hợp tác động nhiễu; y –

đáp ứng đầu ra của hệ thống; R1(z), R2(z) - lần lượt là các hàm truyền đạt của

bộ điều chỉnh số vòng ngoài và vòng trong; O1(s), O2(s), B(s) - lần lượt là

hàm truyền đạt của đối tượng tại vòng ngoài, vòng trong của hệ thống theo

kênh điều chỉnh và đối tượng theo kênh tác động nhiễu; s - biến số phức; z =

eTs

; WZOH là hàm truyền đạt của khâu giữ mẫu bậc không.



Vấn đề đặt ra là tổng hợp hai bộ điều chỉnh số trên sao cho hệ thống

làm việc ổn định, bền vững, chất lượng cao mà đơn giản nhất.

Đặc điểm chung đáng chú ý của hệ hai vòng đang xét ở trên là sự chênh

lệch hay sự khác biệt giữa tốc độ tác động của các vòng điều khiển. Càng ở

những vòng trong thì tốc độ tác động càng nhanh. Do đó khi vòng trong có

tác động điều khiển thì vòng ngoài hầu như chưa có tác động gì hay không có

ảnh hưởng gì đến tác động của vòng điều khiển trong. Cho đến khi có tác

động của vòng ngoài thì vòng trong đã xác lập rồi. Như vậy có thể coi rằng

giữa các vòng điều khiển hầu như không có tác động ảnh hưởng lẫn nhau.

Với quan điểm trên, việc tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển trở nên hết

sức đơn giản. Ta bắt đầu tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển từ vòng trong ra đến

vòng ngoài. Khi tổng hợp cấu trúc của bộ điều khiển vòng trong thì coi như

vòng ngoài không làm việc. Còn khi tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển vòng

ngoài thi coi vòng trong đã được xác lập rồi. Do đó ta đưa ra hai sơ đồ tương

đương với sơ đồ hai vòng trên như sau:

L

g y

- O2(s) W2ZOH R2(z) O1(s) R1(z) W1ZOH

B(s)

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số hai vòng



Trong đó:

R1(s), R2(s): Lần lượt là các bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng trong.

O1(s), O2(s): Lần lượt là các đối tượng cần điều chỉnh ở vòng ngoài và

vòng trong.

g1, g2: Lần lượt là các giá trị đặt của bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng

trong.

y1, y2: Lần lượt là đáp ứng đầu ra của vòng ngoài và vòng trong.

Dựa theo quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao [1] cấu trúc bền

vững tối ưu của hệ một vòng điển hình phải thoã mãn:

H(s) = R(s).O(s) = s

1

.

Suy ra: R(s) = s

1

.OPT(s)

-1. (3.1)

Trong đó:

O(s) = e-s

.OPT(s): Hàm truyền của đối tượng.

-

y1 g1

R1(s) O1(s)

L B(s)

Hình 3.3. Sơ đồ điều chỉnh vòng ngoài

y2

-

g2

R2(s) O2(s)

Hình 3.2. Sơ đồ điều chỉnh vòng trong



OPT(s): Phần hàm truyền không có trễ của đối tượng.

e-s

: Hàm truyền phần trễ thuần tuý của đối tượng

: Thời gian trễ của đối tượng;

R(s): Hàm truyền của của bộ điều chỉnh.

H(s): Hàm truyền của của hệ hở;

: Hằng số quán tính của hệ điều chỉnh tối ưu, thoả mãn >0 và càng

nhỏ càng tốt, để dảm bảo độ tắt dần của hệ > 0,9, thì hằng số quán tính tối

ưu có thể tính theo công thức:

min = 1m)arctgm

2(m

e

2

)arctgm2

(m

. (3.2)

Trong đó: m – là chỉ số dao động mềm xác định tại tần số mà đặc tính

mềm đi qua điểm (-1,j0).

Xét bộ điều chỉnh vòng ngoài: Theo công thức (3.1) ta có:

R1(s) = s

1

1.O1PT(s)

-1.

Để đảm bảo ổn định đối với bộ điều chỉnh vòng ngoài chọn m1 = 0,367;

=0,9 thì ta có 1 = 1,0231. Bộ điều chỉnh vòng ngoài trở thành:

R1(s) =

1203,1

1

.O1PT(s)

-1.

Xét bộ điều chỉnh vòng trong: Theo công thức (3.2) ta có:

R2(s) = s

1

2.O2PT(s)

-1.

Đối với bộ điều chỉnh vòng trong ta cần tăng tính dự trữ ổn định của hệ

thống đảm bảo cho > 0,9 ta chọn m2 = 0,7. Khi đó theo công thức (3.2) ta có:

2 =

17,0)7,0arctg2

(7,0

e.

2

)7,0arctg2

(7,0

= 2,387.



Khi đó ta có: R2(s) = 38,2

1O2PT(s)

-1.

Dựa theo quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao trong hệ

liên tục trên ta đi xác định bộ điều chỉnh trong hệ thống điều khiển số. Xét sơ

đồ điều khiển số một vòng như (hình 3) sau:

Trong đó: R(z) – hàm truyền của bộ điều khiển số; WZOH – hàm truyền của

khâu giữ mẫu bậc không; O(s), B(s) là hàm truyền của đối tượng theo kênh

điều khiển và kênh nhiễu; u – tín hiệu đặt đầu vào; y – đáp ứng tín hiệu ra; L

- tổ hợp tác động nhiễu;

Với khâu giữ mẫu bậc không có phương trình hàm truyền đạt là:

s

e1W

Ts

ZOH

. Hay:

s

1)z1(

s

z1W 1

1

ZOH

.

Như vậy ta có thể tách khâu giữ mẫu thành hai phần: (1-z-1

) và s

1 khi

đó sơ đồ ở (hình 3) trở thành sơ đồ tương đương sau:

y g

- R(z)

O(s)

L B(s)

WZOH

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển số một vòng.

y g

-

R(z) O(s)

L B(s)

1-z-1

Hình 3.5. Sơ đồ biến đổi cấu trúc hệ thống điều khiển số một

vòng.



Sau khi tách WZOH thành hai phần, một phần chứa z, một phần chứa s.

Ta gộp phần chứa z với bộ điều chỉnh còn phần chứa s với đối tượng. Khi đó

ta được sơ đồ tương đương sau:

Bây giờ bài toán trở về với bài toán tổng hợp bộ điều khiển một vòng quen

thuộc. Đặt s

)s(O)s(O* . Khi đó bộ điều chỉnh có dạng:

111** )s(O1

)s(O.s.s

1)s(O

s

1)s(R

.

Số hoá bộ điều chỉnh trên ta thu được: 1

* )s(OZ)z(R

Từ đó ta có:

1

*1*

z1

)z(R)z(R)z1).(z(R)z(R

1

1

1

1)s(OZ

)z1(

1)s(OZ

z1

1)z(R

Cuối cùng ta thu được:

1

1)s(OZ

)z1(

1)z(R

Nếu bỏ qua thành phần trễ thì ta có: 1PT1

)s(OZ)z1(

1)z(R

Ta có thể đưa bộ điều khiển về dạng tương tự như trong hệ liên tục như sau.

Đặt s* =1 – z

-1. Khai triển thành chuỗi Taylor ta có:

g

Hình 3.6. Sơ đồ điều chỉnh tương

đương

-

y R

*(s)

L B(s)



s* = 1 – e

-Ts = 1 – (1 – Ts + ....

!3

)Ts(

!2

)Ts( 32

)

Loại bỏ phần mũ bậc cao ta thu được kết quả cuối cùng là: s* = Ts.

Vậy cuối cung ta có:

)z(Os

1

T

)s(OZ

s

1)z(R *

1

.

Như vậy ta có thể thấy được sự tương quan giữa bộ điều khiển bền

vững tối ưu chất lượng cao trong hệ liên tục và hệ rời rạc. Điều càng giúp đỡ

cho chúng ta tổng hợp được một cách thuận tiện và dễ dàng bộ điều khiển số

dựa trên quan điểm bền vững tối ưu. Qua thành phần của O*(z) trên cũng lý

giải cho chúng ta thấy được vì sao chất lượng điều chỉnh lại phụ thuộc vào

thời gian trích mẫu.

Qua cấu trúc của bộ điều chỉnh ta thấy rằng mỗi bộ điều chỉnh có một

tham số duy nhất là , phải xác định sao cho hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn

định tức là đặc tính mềm của hệ hở không bao điểm (-1,j0).

3.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN

PHẢ LẠI 2

Mô hình hàm truyền của hai đối tượng mà ta cần điều chỉnh là đối

tượng bao hơi O1(s) và van điều chỉnh nước cấp O2(s):

O1(s) = 4,604e – 24,926s

. )s043,40s627,121(s

1

2

O2(s) = 3,006e – 9,638s

.s34,01

1

Trong đó đối tượng van nước cấp là đối tượng vòng trong; đối tượng

bao hơi là đối tượng vòng ngoài của hệ thống điều chỉnh.

Theo những lý luận trên ta đi tổng hợp riêng rẽ từng bộ điều chỉnh. Đầu

tiên ta tổng hợp cấu trúc bộ điều chỉnh ở vòng trong.



3.2.1. Bộ điều chỉnh vòng trong R2(z).

Theo cấu trúc bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao có dạng:

1PT2

22 )s(OZ

)1z(

z)z(R

(3.3)

Trong đó: Z{O2PT(s)-1

} và 2 ta cũng cần xác định.

Xác định z{O2PT(s)-1

}, ta có:

s304,01

006,3O

PT2 =

289,3s

888,9

Theo tài liệu [2] áp dụng công thức biến đổi sang hàm z ta được:

O2PT(z) = T289,3ez

z888,9

.

Trong đó: T là thời gian trích mẫu.

Thay vào công thức (3.3) ta có:

1

T289,32

2ez

z888,9

)1z(

z)z(R

z888,9

ez

)1z(

z)z(R

T289,3

22

)1z(888,9.

ez)z(R

2

T289,3

2

Ứng với mỗi thời cắt mẫu cho ta một bộ tham số của bộ điều chỉnh:

* Với thời gian cắt mẫu T = 0,25 giây cho ta bộ điều chỉnh:

)1z(888,9

439,0z.

1)z(R

22



3.2.2. Bộ điều chỉnh vòng ngoài R1(z).

Theo cấu trúc bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao có dạng:

1PT1

11 )s(OZ

)1z(

z)z(R

(3.4)

Trong đó: Z{O1PT(s)}-1

và cần xác định.

Xác định Z{O(s)}-1

, ta có:

O1PT(s) = 22 s043,40s627,121

CBs

s

A

)s043,40s627,121(s

604,4

Thực hiện phép biến đổi quy đồng mẫu số và đồng nhất các hệ số trên tử số ta

được:

4,604 = A.(1 + 12,627s+40,043s2) + (Bs+C)s

A + 12,627A.s + 40,043As2 + Bs

2 + Cs = 4,604.

A + s(12,627A + C) + s2(40,043A + B) = 4,604.

.0BA043,40

.0CA627,12

.604,4A

Giải ra ta được:

.135,58C

.358,184B

.604,4A

Khi đó ta có:

2PT1s043,40s627,121

135,58s358,184

s

604,4)s(O

.

= )025,0s315,0s(043,40

135,58s358,184

s

604,42

=])013,0()1575,0s[(043,40

135,58s358,184

s

604,422



=

2222 )013,0()1575,0s(

013,0.899,55

)013,0()1575,0s(

1575,0s604,4

s

604,4


T315,0T1575,02

T1575,02

PT1e)T013,0cos(ze2z

)T013,0cos(zez604,4

1z

z604,4)z(O

.

T315,0T1575,02

T1575,0

e)T013,0cos(ze2z

)T013,0sin(ze899,55

Đặt: D = e-0,1575T

cos(0,013T).

E = e-0,1575T

sin(0,013T).

F = e-0,315T


Thay vào biểu thức trên ta có:

O1PT(z) = FDz2z

Ez899,55

FDz2z

)Dzz(604,4

1z

z604,422

2

Thực hiện quy đồng phân thức cho biểu thức O1PT(z) trên ta được:

Tử số = 4,604z(z2 – 2Dz + F) – 4,604(z – 1)(z

2 – Dz) – 55,899Ez(z – 1)

= z2(4,604 – 4,604D – 55,899E) + z(4,604F – 4,604D + 55,899E).

Mẫu số = (z – 1)(z – 2Dz +F)

Đặt: M = 4,604 – 4,604D – 55,899E.

N = 4,604F – 4,604D + 55,899E.


O1PT = )FDz2z)(1z(

zNMz2



Thay vào công thức (3.4) ta có:

1

21

1

)FDz2z)(1z(

)NzM(z

)1z(

z)z(R

)NzM(z

)FDz2z)(1z(

)1z(

z)z(R

2

11

)NzM(

)FDz2z()z(R

1

2

1

.



003784,0z003126,0

924271,0z92277,1z.

1)z(R

2

11

Công việc còn lại ta đi xác định hai tham số 1 và 2, việc này thực hiện

đơn giản nhờ chương trình “CASCAD”.

Kết quả cuối cùng ta thu được hai bộ điều chỉnh là:

z826,01

z958,1z739,3809,1)z(R

2

1

z1

z00165,00007,0)z(R

2

Từ kết quả trên ta có đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ

thống được trình bày ở hình dưới đây:



Hình 3.8. Đặc tính biên độ của hệ kín.

Hình 3.7. Đặc tính mềm của hệ hở



* Đánh giá chất lượng điều chỉnh:

Từ đặc tính mềm của hệ hở ta thấy: đi qua điểm (-1;j0) đảm bảo cho hệ

kín ổn định và dự trữ ổn định với chỉ số dao động m = 0,367.

Từ đặc tính thời gian ta có: h1max

= 1,33, h2max

= 1,030. Với các chỉ tiêu

đánh giá chất lượng như sau:

- Độ tắt dần: = 9,033,0

03,033,0

h

hhmax1

max2

max1

.

- Thời gian điều chỉnh tđc 9 phút.

- Độ sai lệch quá độ: %33%100.1

33,0%100.

1

h1

Trong chương này đã trình bày phương pháp tổng hợp hệ thống điều

khiển số cho hệ hai vòng dựa trên quan điểm hệ thống làm việc bền vững và

có tính ổn định cao của hệ một vòng đồng thời đã nêu ra một ví dụ cụ thể áp

dụng cho phương pháp đã nêu ra. Kết quả cho ta thấy hệ thống làm việc bền

vững và ổn định cao. Qua đó cũng cho ta phương pháp tổng hợp hệ điều khiển

số hai vòng một cách đơn giản nhanh chóng nhưng đem hiệu quả cao.

Trên đây ta đã tổng hợp sơ đồ với tín hiệu hai xung là tín hiệu mức

nước và tín hiệu về lưu lượng nước. Một tín hiệu cũng vô cùng quan trọng

Hình 3.9: Đặc tính quá độ của hệ thống.



trong sơ đồ điều khiển đó là tín hiệu về lưu lượng hơi. Nhiễu đường lưu lượng

hơi gây sai lệch dư trong quá trình điều khiển hệ thống cũng như gây ra hiện

tượng dao động rất mạnh trong hệ thống. Thông thường lâu nay người ta vẫn

lấy thêm tín hiệu lưu lượng hơi đưa vào cùng với tín hiệu đặt vào hệ thống để

đưa vào bộ điều khiển. Quá trình tính toán tham số bộ điều chỉnh khi có tín

hiệu này phần lớn người ta chỉ vào tay nghề hiệu chỉnh của người thiết kế là

chính. Bộ điều chỉnh có nhiệm vụ khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu bên

trong. Nhiễu bên ngoài thường xuất hiện do thay đổi phụ tải dưới dạng xung

bậc thang, thường là đo được nên để nâng cao chất lượng điều chỉnh có thể

xây dựng kênh khử C tác động vào đầu vào bộ của bộ điều chỉnh. Trong

trường hợp của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 khi có sự thay đổi về tải gây ra

sự dao động lớn một phần lớn do không tính toán được thông số hợp lý cho

bộ điều chỉnh để khử được nhiễu này. Ở đây sẽ tổng hợp bộ khử nhiễu cho hệ

thống để tăng chất lượng điều chỉnh.

3.3. TỔNG HỢP BỘ KHỬ NHIỄU.

Ta xét sơ đồ điều chỉnh có thêm khâu khử nhiễu được thể hiện dưới

hình sau:

H

L

g(z)

- O2(s) W2ZOH R2(z) O1(s) R1(z) W1ZOH

B(s)

Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số hai vòng

C

-



Theo tài liệu [8], thì bộ khử tuyệt đối (tức là với nhiễu L bất kỳ xuất hiện thì

luôn luôn yL(t) 0) có dạng:

)s(O)s(R

)s(Be)s(C

s)( D

(3.5)

Trong đó:

C(s): Bộ khử nhiễu.

B(s): Hàm truyền theo kênh nhiễu.

R(s): Hàm truyền của bộ điều chỉnh.

O(s): Hàm truyền của đối tượng.

: Thời gian trễ của đối tượng theo kênh điều khiển.

D: Thời gian trễ của của đối tượng theo kênh nhiễu.

Song khi đó bộ khử có cấu trúc phức tạp, ta có thể chọn bộ khử đơn giản nhất

có dạng bậc nhất trên bậc nhất:

sa1

)sb1(b)s(C

1

10

Tối ưu hoá tham số của bộ khử ta thu được như sau:

s779,41

)s871,441(798,147)s(C

Ta thu được các đặc tính quá độ như sau:



3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.

Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết

quả tính toán cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 có độ ổn định cao thời gian

điều chỉnh ít, độ tắt dần lớn 0,9. Bộ điều chỉnh có độ bền vững cao đảm

bảo độ tác động nhanh.

Ta có sơ đồ so sánh như dưới đây để có thể thấy rõ hơn:

- Thời gian điều chỉnh của bộ điều chỉnh tính toán được (ttt=281giây) ít

hơn thời gian điều chỉnh thực tế ở nhà máy (tnm = 908 giây) 3 lần.

- Độ tắt dần của hệ thống ở nhà máy 0,5, còn với hệ thống tính toán

được 0,9.

- Biên độ dao động của hệ thống ở nhà máy rất lớn gây mất ổn định cho

toàn tổ máy.

Trong đó:

H1: Đặc tính vận hành thực tế ở nhà máy.

H2: Đặc tính thu được từ tính toán.



CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ.

Hình 4.1 Mô hình vật lý hệ thống điều chỉnh mức nước



Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển mức nước

1 1 2 3

S7-300 ET200M AI AO

OP7

Bể chứa nước

cấp

PC

Bể chứa

nước xả

4

I–Van điều chỉnh

II-T/b

đo mức

Bơm

nước

Phòng điều khiển

Bảng điều khiển

H III

V

IV



Trong đó: 1 - cổng nguồn nuôi 12V DC; 2 - cổng tín hiệu đưa về từ thiết bị đo

mức (420 mA); 3 - cổng tín hiệu điều chỉnh van (010V DC); 4 - cổng

RS485 kết nối với PC; 5 - cổng PROFIBUS kết nối ET200 với CPU.

Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh mức nước

OP7

S7-300

AI AO

ET200M

PC

Động cơ

điều khiển

van

Van 20

4-20mA

Sensor

đo mức

PROFIBUS



Nguyên lý hoạt động:

Đường nước: nước từ bể chứa nước cấp (V) cấp cho bể nước cần điều

chỉnh nước (III), lưu lượng nước cấp vào (III) được điều chỉnh qua van điều

chỉnh I. Nước từ bể (III) chảy xuống bể chứa nước xả (IV). Lưu lượng nước

xuống bể (IV) đặc trưng cho tải tiêu thụ. Để bổ xung nước cho bể chứa nước

cấp (V) ta sử dụng bơm tuần hoàn.

Nguyên tắc điều chỉnh: khi mở van xả (đại diện cho tải) mức nước

trong bể chứa (III) thay đổi, đầu đo tín hiệu mức (II) đo và gửi thông tin về bộ

điều chỉnh tại đây bộ điều chỉnh xử lý tín hiệu ra tín hiệu điều chỉnh van (I)

phù hợp với sự thay đổi mức nước trong bể cần điều chỉnh.

4.2. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỨC NƯỚC

4.2.1. Bộ điều chỉnh khả lập trình PLC.

Thiết bị điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control),

viết tắt thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán

điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện

thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong

mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và

đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác

hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ

nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và

được thực hiện lặp theo chu kỳ vòng quét (scan).

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC

phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU),

một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên

là phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để

trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài

toán điều khiển số, PLC còn phải cần thêm các khối chức năng đặc biệt khác

như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng.



Trên thế giới cũng như trên thị trường Việt Nam có rất nhiều hãng PLC

nổi tiếng như OMRON, SIEMENS v.v…Hiện nay tại phòng thí nghiệm sử

dụng PLC của hãng SIEMENS loại S7 – 300.

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ điều khiển khả lập trình PLC được

mô tả ở hình 4.4 sau đây:

Thuyết minh sơ đồ:

- Bộ nhớ chương trình để chứa toàn bộ chương trình điều khiển của PLC.

- Khối xử lý trung tâm + hệ điều hành: là bộ não của PLC, thực hiện tất

cả các chương trình tính toán làm nền để chạy các chương trình điều khiển.

- Bộ đệm vào/ra: là bộ nhớ có tác dụng nhận dữ liệu từ cổng vào số và

gửi dữ liệu từ CPU đến cổng ra số.

- Cổng ngắt, đếm tốc độ cao, bít cờ, timer: là những khối được chỉ đạo

bằng phần mềm chương trình dùng để hỗ trợ CPU trong quá trình làm việc.

- Các cổng vào ra onboard: là nơi tiếp nhận hoặc gửi tín hiệu số hoặc

tương tự.

Bộ nhớ chương trình

Khối vi xử lý

trung tâm

+

Hệ điều hành

Bộ đệm

vào/ra

Timer

Bộ đếm

Bit cờ

Cổng vào ra

onboard

Cổng ngắt và

đếm tốc độ cao

Quản lý ghép nối

Bus của PLC

CPU

Hình 4.4. Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển PLC



- Quản lý gép nối: là phần cứng chuyên dùng để quản lý việc trao đổi

thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính).

- Bus của PLC: là hệ thống đường dẫn, tín hiệu, dữ liệu và nguồn nuôi.

- Hệ thống rắc chuẩn và giá đỡ để lắp các môdun.

- Hệ thống các bus địa chỉ, bus điều khiển, bus số liệu, bus nguồn nuôi.

Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong chương trình thực tế mà ở

đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như

chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế

không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số

các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu

bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại

là những module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module

chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ…Chúng được gọi chung là module

chức năng mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thay ray (Rack).

Cáp chương

trình Thiết bị chương

trình (PC)

Sự truyền một

chương trình

CPU Module

nguồn

Module

vào

Module ra

Hình 4.5. Sơ đồ một thiết bị PLC Simatic S7 – 300.



4.2.1.1 Module CPU.

Module CPU là loại mudule có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ,

các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể còn có một

vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng

vào ra onboard.

Trong họ PLC S7 – 300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói

chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312,

module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về

cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong

thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này

sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (viết tắt

của Intergrated Function Module). Ví dụ module CPU312 IFM, module

CPU314 IFM…

Ngoài ra còn có loại module CPU vói hai cổng truyền thông, trong đó

cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân

tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm

tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module

CPU được phân biệt với những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP

(Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ module CPU315 – DP.

4.2.1.2. Module mở rộng.

Module mở rộng được chia thành 5 loại chính:

* PS (Power supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại: 2A, 5A và 10A.

* SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào

số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module.



- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module.

- DI/DO(Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra

số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tuỳ

thuộc từng loại module.

- AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản

chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức

là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có

độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng

loại module.

- AD (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản

chất chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các

cổng vào tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại module.

- AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra

tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra

tuỳ theo từng loại module.

* IM (Interface module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên

dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một

khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module

mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi thanh

rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU,

module nguồn nuôi). Một module CPU S7 – 300 cod thể làm việc trực tiếp

được với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng

module IM.

* FM (Function module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ

như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo,

module PID, module điều khiển vòng kín…

* CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong

mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.



4.2.1.3. Cấu trúc bộ nhớ của CPU.

Bộ nhớ của S7 – 300 được chia làm ba vùng chính:

* Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia thành

3 miền:

- OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức.

- FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có

biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.

- FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành

hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình

nào khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu

riêng (gọi là DB – Data block).

* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân

chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:

- I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước

khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả

các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường

chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng

vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.

- Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết

thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của

bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực

tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q.

- M: Miền biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu

giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte

(MB), từ (MW) hay từ kép (MD).

- T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị

thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời

(CV – Current value) cũng như giái trị logic đầu ra của bộ thời gian.



- C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt

trước (PV – Preset value), giá trị đếm tức thời (CV – Current value) và

giá trị logic đầu ra của bộ đệm.

- PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External

input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được

module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng

dụng có thể truy cập miền nhớ theo từng byte (PIB), từng từ (PIW)

hoặc theo từng từ kép (PID).

- PG: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External

output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự

chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập

miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ

kép (PQD).

* Vùng chứa khối dữ liệu, được chia thành hai loại:

- DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích

thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với

từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo

từng bit (DBX), theo từng byte (DBB), từng từ (DBW) hoặc từ kép

(ĐB).

- L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương

trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao

đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó.

Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc

chương trình ứng dụng trong OB, FC, FB. Miền này có thể được truy

nhập từ chương trình theo bít (L), byte (LB), từ (LW), hoặc từ kép

(LD).



4.2.1.4. Vòng quét chương trình.

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được coi

là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ

liệu từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện

chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu

tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện

chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng

ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm

lỗi. Vòng quét được mô phỏng bằng hình vẽ dưới đây:

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự

nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý

chứ không thông qua bộ đệm.

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời

gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không

phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như

nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh

tuỳ thuộc vào số lệnh trong trương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ

liệu được truyền thông…trong vòng quét đó.

Chuyển dữ liệu từ

cổng vào tới I

Chuyển dữ liệu từ

Q tới cổng ra

Truyền thông và

kiểm tra nội bộ

Thực hiện

chương trình

Hình 4.6. Vòng quét chương trình



Như vậy, giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc

gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng

thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời

gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng

ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.

Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như

khối OB40, OB80…chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong

vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương

trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò

ép là phải ở trong gian đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín

hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra

nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối

chương trình tương ứng với tín hiệu ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt

như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện

trong vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều

khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm

dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc

trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng

nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai

đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp

lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả

khi chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra.

Trong hệ thống điều chỉnh mức nước ở phòng thí nghiệm sử dụng loại

CPU 314C-2 DP với mã số: 6ES7 314-6CF00-0AB0.

Sử dụng mạng phân tán để điều khiển mức nước. Giao thức mạng dùng

để kết nối CUP chính, ET và giao diện màn hình OP7 ở đây là giao thức



Profibus. Profibus định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết

nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các

thiết bị điều khiển giám sát. Profibus định nghĩa ba loại giao thức là

PROFIBUS – FMS, PROFIBUS – DP, PROFBUS – PA. Trong phòng thí

nghiệm dùng giao thức PROFBUS – DP. PROFIBUS – DP được phát triển

nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu

dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả lập trình hoặc máy tính cá

nhân công nghiệp với các thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo,

truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện tuần

hoàn theo cơ chế chủ/tớ. PROFIBUS - DP cho phép sử dụng cấu hình một

trạm chủ (Mono – Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi – Master). Trong cấu

hình nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc ảnh dữ liệu đầu vào/ra của

các trạm tớ. Tuy nhiên, duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra.

Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nó được thực hiện tự

động theo một trình tự qui định sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử

dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ

tham gia các trạm tớ không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn. Trước khi

thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn, trạm chủ chuyển thông tin cấu hình và

các tham số đã được đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các thông

tin về kiểu thiết bị, khuôn dạng và chiều dài dữ liệu, số lượng các đầu vào ra.

Chỉ khi thông tin cấu hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham số

hợp lệ thì nó mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn với trạm chủ.



Sơ đồ trao đổi dữ liệu được thể hiện ở hình sau:

* Giới thiệu sơ lược về mạng điều khiển phân tán:

Ngày nay phần lớn các hệ thống thông tin xung quanh chúng ta đều dựa

trên kiến trúc phân tán. Các ứng dụng Internet như Email, Web, Chat là

những ví dụ tiêu biểu. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông và

công nghệ phần mềm đã mở ra các kiến trúc ứng dụng phân tán với các ưu

điểm vựơt trội. Một hệ thống phân tán là một hệ thống gồm các thành phần xử

lý phân tán, giao tiếp với nhau qua một cơ sở hạ tầng truyền thông chung.

Một hệ thống phân tán có thể mang ý nghĩa của một hệ phần cứng, một hệ

DP – Master

Dan

h s

ách

hỏi

tuần

tự

Slave 1 Dữ liệu đầu ra

Dữ liệu đầu vào



Slave n Dữ liệu đầu ra






Hình 4.6. Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/Slave



phần mềm hoặc kết hợp cả hai. Các hệ thống điều khiển phân tán đã đem lại

rất nhiều lợi ích ví dụ như tính linh hoạt trong thiết kế, lắp đặt, bảo trì và nâng

cấp hệ thống. Hơn nữa, yêu cầu của các bài toán ứng dụng trong thực tế cho

thấy rằng sẽ là phù hợp hơn nếu hệ thống điều khiển được chia nhỏ, phân tán

theo khu vực và phối hợp hoạt động đồng bộ để cùng nhau giải quyết nhiệm

vụ chung của toàn hệ thống. Ngày nay một mô hình hệ thống như vậy mặc

nhiên đã được thừa nhận và rất quen thuộc trong các hệ thống công nghiệp

hiện đại. Trong hệ thống thiết bị thí nghiệm có trang bị thiết bị ET200M là

trạm vào ra phân tán nó có nhiệm vụ điều khiển trực tiếp với van điện để điều

khiển độ đáng mở của van. Về nguyên tắc của hệ thồng điều khiển phân tán

thì cụm điều khiển này có thể đặt tại nơi hệ thống cơ cấu chấp hành làm việc

còn CPU có thể đặt ở phòng điều khiển trung tâm cách hàng vài trăm mét. Đó

những ưu điểm nổi bật của hệ điều khiển phân tán.

Sơ đồ kết nối mạng trong hệ thống điều khiển mức ở phòng thí nghiệm:

Công tắc nguồn

cung cấp

Công tắc cho sửa

chữa điện áp HT

Công tắc bộ

chọn lọc

Thanh gá

(rack)

Các thiết bị

chương trinh

Các công

tắc

Liên kết

năng lượng

Bàn kẹp giảm

sức căng

Chương trình thiết bị

với phần mềm Step 7

Hình 4.8. Sơ đồ bố trí PLC



* Một số thông số kỹ thuật của PLC được thể hiện ở bảng 4.1 sau:

Thông số

Sản phẩm phần cứng 01

Sản phẩm phần mềm V1.0.0

Phần mềm hỗ trợ STEP7 V5.1 + SP2

Bộ nhớ làm việc đã tích hợp 48 KB

Bít nhớ 256 bytes

Đồng hồ nhớ 8 (1 byte nhớ)

Khối Data max.127

Vùng data cho mỗi lớp ưu tiên max. 510 bytes

Địa chỉ vùng vào/ra (I/O)

* Tổng vùng địa chỉ vào/ra (I/O) max. 1024 bytes/ 1024 bytes

* Miền bộ đếm cổng vào/ra số

(I/O)

128 bytes/ 128 bytes

* Số kênh số max. 8192

* Kênh tương tự max. 512

Module chức năng điều khiển

riêng (FM)

max. 8

Module phục vụ truyền thông CP

(PtP)

max. 8

Module phục vụ truyền thông CP

(LAN)

max. 10

Giao diện

* Kiểu dao diện RS485

* Cổng vật lý RS485

Cổng vào ra (I/O) đã tích hợp

* Vào số 124.0 đến 126.7

* Ra số 124.0 đến 125.7

* Vào tương tự 752 đến 761

* Ra tương tự 752 đến 755

Điện áp dòng vào

* Điện áp cung cấp 24V DC

* Phạm vi điện áp sử dụng được 20.4V đến 28.8V

* Dòng điện tiêu thụ Thông thường 150 mA

Bảng 4.1. THông số kỹ thuật của PLC



4.2.2. Van điều chỉnh điện.

Van điều chỉnh điện là thiết bị nhận tín hiệu từ bộ điều chỉnh (tín hiệu

điện) để thay đổi độ mở của van tức thay đổi lưu lượng nước cấp.

* Tên gọi: Van điều chỉnh điện ML7425A3013.

* Đặc tính kỹ thuật:

- Điện năng tiêu thụ: Điện áp đầu vào: 12V DC.

- Tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều chỉnh) 0 đến 10V DC hoặc 2 đến 10V

DC.

- Tín hiệu điện trở nguồn ra: max 1 k.

- Tải: max 1mA.

- Lực chặn: 134 Ibf (600N).

- Dải chuyển động: 3/4 in (20 mm).

- Thời gian tác động: 90 giây.

- Trọng lượng 5,1 Ib (2,3 kg).

- Kích thước và hình dáng bên ngoài của van điện được thể hiện ở hai

hình dưới đây:

Một số thiết bị phụ trợ:

- 43191679-112 một thiết bị phụ đo điện thế 220

- 43191679-111 một thiết bị phụ đo điện thế 10 K

- 43196000-001 nhiệt độ cao trang bị cho van V5011/V50;

V3350,51/V3360,61; V3450,51/V3460,61 với cỡ 0,5” đến 3”.



Hình 4.9b. Van điều chỉnh điện

ML7425A3013

Hình 4.9a. Kích thước của van điều

chỉnh điện ML7425A3013

4.2.3. Thiết bị đo mức.

Thiết bị đo mức sử dụng trong hệ thống là thiết bị đo mức bằng sóng

siêu âm. Thiết bị đo mức bằng sóng siêu âm là một thiết bị kết hợp giữa công

nghệ điện tử và bộ chuyển đổi, cho phép đo mức ở các thiết bị hở hoặc trong

bình kín và tín hiệu được chuyển đổi và truyền ra ngoài qua dây mềm Kynar.

Thiết bị đo mức bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi

những đặc tính kỹ thuật ưu việt của nó, gọn nhẹ, dễ lắp đặt.

Nguyên lý làm việc: Thiết bị phát ra một sóng siêu âm, sau một thời

gian lan truyền tới đập vào bề mặt (chất lỏng, rắn…) rồi phản xạ trở lại. Thiết

bị thu phát xạ, qua bộ chuyển đổi và được đưa đến màn hình hiển thị, tới rơle,

tới đầu ra tương tự phục vụ cho các mục đích tiếp theo.



* Đặc tính thiết bị:

- Dễ lắp đặt, bảo trì và lập trình cho thiết bị.

- Độ tin cậy và độ chính xác cao.

- Dây mềm Kynar và bộ chuyển đổi tín hiệu Tezel sẵn có thuận tiện cho

việc thay thế.

* Đặc tính kỹ thuật:

- Tên gọi: thiết bị đo mức bằng sóng siêu âm.

- Giới hạn đo: 0,25 0,5m.

- Đầu ra: tín hiệu điện 420 mA. Tải lớn nhất là 600 tại điện áp DC 24 V.

- Điện áp cung cấp: điện áp cung cấp DC 12 V đến 30 V; 0,1 A max.

Điện năng tiêu thụ lớn nhất 0,75W.

- Độ chính xác: Sai số đo lường: 25% phạm vi đo lường (trong không

khí). Độ phân giải 3 mm.

- Nhiệt độ xung quanh: chế độ chuẩn: 4060 0C.

- Cấp bảo vệ IP65.

4.3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

4.3.1. Nhận dạng đối tượng mức trong mô hình thí nghiệm.

Dựa vào đường đặc tính của đối tượng thu được từ thí nghiệm ta có

bảng về số liệu về đường quá độ của đối tượng như sau:

* Đối tượng 1 có đặc tính như hình vẽ sau:

Hình 4.10. Đường đặc tính đối tượng 1.



Ta có bảng rời rạc số liệu đường quá độ đối tượng 1như sau:

i 0 1 2 3 4 5 6 7

ti 0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

x(ti) 0 0,3 1,7 5,6 9,7 13,5 16,3 20,0

Quá trình nhận dạng và mô hình hoá đối tượng thực hiện trên cơ sở các

số liệu tần số hoặc các số liệu đặc tính thời gian của đối tượng cho dưới dạng

bảng như trên. Quá trình này thực hiện nhờ phần mềm AD_ROB trong

CASCAD. Các tham số của mô hình được xác định nhờ thuật toán tối ưu hoá

“Vượt khe”.

Ta thu được mô hình của đối tượng như sau:

2

859,0

1s118,0s252,01

872,6.

s

e)s(O

Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 1 được thể hiện dưới hình sau:

Bảng 4.2. Bảng rời rạc đặc tính quá độ đối tượng 1

Hình 4.11. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng

1



* Đối tượng 2 có đặc như hình vẽ sau:

Ta có bảng số liệu rời rạc đường quá độ đối tượng 2 như sau:

i 0 1 2 3 4 5 6

ti 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

x(ti) 0 0 0.8 3.8 9.0 14.2 18

Xử lý bằng CASCAD mô hình của đối tượng 2 như sau:

2

487,0

2s322,0s482,01

843,11

s

e)s(O


Hình 4.12. Đường đặc tính đối tượng 2




* Đối tượng 3 có đường đặc tính như hình vẽ sau:

Hình 4.14. Đường đặc tính đối tượng 3

Hình 4.13. Đặc tính tần sô biên độ pha của đối tượng 2



Ta có bảng số liệu rời rạc đặc tính quá độ của đối tượng 3 như sau:

i 0 1 2 3 4 5 6

ti 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

x(ti) 0 0 0,8 3,8 10 16,9 20,1

Xử lý bằng chương trình CASCAD mô hình của đối tượng 3 như sau:

2

523,0

s135,0s538,01

84,9.

s

e)s(O


Ta có các đặc tính tần số biên độ của cả ba đối tượng trên cùng trục toạ độ là:


Hình 4.15. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 3



Tiến hành nhận dạng đối tượng ta thu được hàm truyền đối tượng như sau:

j

2

566.0

e.s003,01

709,4.

s

1

)s215,0s475,01(s

e534,9)s(O .

* Tổng hợp bộ điều chỉnh:

Theo lý luận phần trên, bộ điều chỉnh số bền vững chất lượng cao có

dạng:

1PT )s(OZ

)1z(

z)z(R

Xác định Z{O(s)}-1

, ta có:

OPT(s) = 22 s215,0s475,01

CBs

s

A

)s215,0s475,01(s

534,9

Thực hiện phép biến đổi quy đồng mẫu số và đồng nhất các hệ số trên tử số ta

được:

9,534 = A.(1 + 0,475s+0,2153s2) + (Bs+C)s

A + 0,475A.s + 0,215As2 + Bs

2 + Cs = 9,534.

A + s(0,475A + C) + s2(0,215A + B) = 9,534.

Hình 4.16. Tổng hợp đặc tính tần số biên độ pha của cả ba đối tượng



.0BA215,0

.0CA475,0

.534,9A

Giải ra ta được:

.529,4C

.050,2B

.534,9A

Khi đó ta có:

2PTs215,0s475,01

529,4s050,2

s

534,9)s(O

.

= )651,4s209,2s(215,0

529,4s050,2

s

534,92

=])883,1()051,1s[(215,0

529,4s050,2

s

534,922

=2222 )883,1()051,1s(

883,1.865,5

)883,1()051,1s(

051,1s534,9

s

534,9


T102,2T051,12

T051,12

PTe)T883,1cos(ze2z

)T883,1cos(zez534,9

1z

z534,9)z(O

.

T102,2T051,12

T051,1

e)T883,1cos(ze2z

)T883,1sin(ze899,55

Đặt: D = e-1,051T

cos(1,883T).

E = e-1,051T

sin(1,883T).

F = e-2,102T



OPT(z) = FDz2z

Ez865,5

FDz2z

)Dzz(534,9

1z

z534,922

2



Thực hiện quy đồng phân thức cho biểu thức OPT(z) trên ta được:

Tử số = 9,534z(z2 – 2Dz + F) – 9,534(z – 1)(z

2 – Dz) – 5,865Ez(z – 1)

= z2(9,534 – 9,534D – 5,865E) + z(9,534F – 9,534D + 5,865E).

Mẫu số = (z – 1)(z – 2Dz +F)

Đặt: M = 9,534 – 9,534D – 5,865E.

N = 9,534F – 9,534D + 5,865E.


OPT = )FDz2z)(1z(

zNMz2

Thay vào công thức trên ta có:

1

21 )FDz2z)(1z(

)NzM(z

)1z(

z)z(R

)NzM(z

)FDz2z)(1z(

)1z(

z)z(R

2

1

)NzM(

)FDz2z()z(R

1

2

.



z450,21

z012,0z021,0011,0)z(R

2

.

Từ kết quả trên ta có đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ

thống được trình bày ở hình dưới đây:



Trong hệ thống điều khiển mức nước trong mô hình thí nghiệm sử dụng

bộ điều khiển PLC S7-300 trong bộ điều khiển này đã tích hợp sẵn modul

Hình 4.18. Đặc tính biên độ của hệ kín.

Hình 4.17. Đặc tính mềm của hệ hở.



mềm PID. Do đó ta có thể hạ bậc bộ điều khiển trên về bộ điều khiển PD

dùng trong điều khiển mức quen thuộc. Bộ điều khiển PD số có dạng:

Bộ điều khiển PD trong công nghiệp có dạng:

R(s) = KP(1 + KD.s).

Tiến hành tối ưu hoá ta thu được được bộ điều chỉnh:

R(s) = 0,065(1 + 0,25s).

Ta có các đặc tính như sau:

Số hoá bộ điều chỉnh ta được: ).z

)1z(25,01(065,0)s(R

Nhưng với bộ

điều chỉnh chất lượng hệ thống giảm rõ rệt và đường đặc tính mềm của hệ hở

sẽ bao điểm (-1;j0), do đó ta phải tính toán lại tham số bộ điều chỉnh. Cuối

cùng ta thu được kết quả như sau: ).z

)1z(25,01(0492,0)s(R

Hình 3.8. Đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ thống



* Đặt tham số vào bộ điều chỉnh PLC S7-300 với KP = 0.0492; KD = 0,25;KI

= 0; Bật phần mềm theo dõi ta thu được đặc tính như sau:

Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết

quả tính toán cho đối tượng trên mô hình thí nghiệm và kết quả theo dõi thức

tế vận hành với mô hình này thì thời gian điều chỉnh tương tự nhau (tđc 10

phút). Đảm bảo độ tắt dần >0,9. Bộ điều khiển có độ bền vững cao đảm bảo

độ tác động nhanh.



KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài “Phương pháp tổng hợp

hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện” từ kết quả

thu được, ta đi đến một số kết luận như sau:

1. Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết quả

tính toán cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 cũng như trên mô hình thí nghiệm

đều cho kết quả tương tự đó là độ ổn định cao thời gian điều chỉnh ít, độ tắt

dần lớn 0,9. Bộ điều chỉnh có độ bền vững cao đảm bảo độ tác động

nhanh.

2. Phương pháp nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành bình thường của

nhà máy cho kết quả rất tốt. Có ưu điểm lớn là hệ thống vẫn làm việc bình

thường, không phải ngắt hệ thống. Thậm chí chúng ta chỉ cần lấy số liệu có

được trong quá trình vận hành nhà máy.

3. Trên cơ đó ta có thể khẳng định được rằng phương pháp hiệu chỉnh đã đưa

ra ở trên có thể tính toán cải thiện chất lượng điều chỉnh mức nước bao hơi ở

nhà điện Phả Lại 2. Đồng thời mở ra phương pháp tính toán bộ điều khiển

mức cho các nhà máy nhiệt điện khác.

Qua đề tài này, với sự làm việc nghiêm túc em đã học hỏi được thêm

nhiều kiến thức sâu rộng về điều khiển tự động đặc biệt là điều khiển các đối

tượng nhiệt. Kết quả đạt được ở đề tài này là đã nhận dạng thành công đối

tượng của hệ nhiều tầng trong điều kiện làm việc bình thường và tổng hợp bộ

điều khiển số điều khiển mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2.

Với đề tài này để có thể áp dụng vào thực tế cho quá trình điều khiển mức

nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì cần hoàn thiện hàng loạt vấn đề cả

về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Do đó em rất mong được sự đóng góp ý kiến

giúp đỡ của các thầy trong bộ môn, khoa để em có thể tiếp tục hoàn thiện đề

tài này sâu hơn nữa.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. N.V.Mạnh. Phương pháp tối ưu hoá các hệ thống điều khiển bất định.

Luận án tiến sĩ khoa học. Trường năng lượng Moscow 1999. 300 tr.

2. Benjamin C. Kuo. Automatic Control Sytems. Prentice – Hall

Internationnal, Inc.

3. Мань.Н.В. Оптимальный синтез роастпой каскадной

автоматической системы управления //Теплоэнергетика, 2000.9.

С.22-28.

4. Мань.Н.В. Робастная настройка многосвяэных систем управления

по “мягкой” степени колебатности// Теплоэнергетика, 2000.2.

С.48-52.

5. N.V.Mạnh. Tổng hợp bền vững hệ điều khiển đối tượng bất định //

Thông báo khoa học. Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về tự động hoá. Hà

Nội 2002. Tr.155 – 161.

6. N.V.Mạnh, N.V.Dũng. Quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu áp dụng

cho hệ điều chỉnh đối tượng nhiệt hai tầng. Tạp chí KHCN nhiệt,

5/2004. Số 57, tr.23 – 27.

7. N.V.Mạnh. Nhận dạng đối tượng trong hệ điều khiển nhiều vòng. Tạp

chí KHCN nhiệt, 3/2006. Số 3, tr 19 – 22.

8. N.V.Mạnh và nhóm nghiên cứu bộ môn HT&TĐH. Nghiên cứu xây

dựng tổ hợp chương trình phần mềm MT thiết kế tối ưu các hệ thống

điều khiển đối tượng bất định công nghiệp (2001 – 2002). Đề tài nghiên

cứu khoa học cấp bộ, mã số B–2001-28-34.

9. N.V.Mạnh. Lý thuyết điều chỉnh quá trình nhiệt.

10. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. – М.:

Мир, 1975.



11. Eykhoff P. Trends and Progress in System Identification. – Pergamon

Press, 1981. Изерман Р. Цифровые системы управления. – М.:

Мир, 1984.

12. N.V.Mạnh. Trường L.X. Thuật toán điều khiển thích nghi trên cơ sở

phương pháp “Vượt khe” //KH&CN Nhiệt, 2001. Số 1. tr. 20-23.

13. N.V.Manh. The Affine projection method for solving non-linear

optimization problems //Proceedings of NCST of Vietnam, 1992. No 2.

P. 53-60.



MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH. ................ 3

1.1. ĐIỀU CHỈNH MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH. ................................. 3

1.1.1 Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò hơi. .. 3

1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi. ..................... 4

1.1.3. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi. .................................. 8

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG VỚI ĐỐI TƯỢNG KHÔNG CÓ

TỰ CÂN BẰNG. ................................................................................................................. 16

1.2.1. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler–Nichols.

......................................................................................................................... 16

1.2.2. Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick– Kuhn.

......................................................................................................................... 17

1.2.3. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp Reinisch. ............................... 17

1.3. TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH BỀN VỮNG. .......... 20

1.3.1 Cấu trúc chất lượng cao. ........................................................................ 20

1.3.2. Cấu trúc bền vững cao. .......................................................................... 22

1.3.3. Cấu trúc bền vững chất lượng cao. ....................................................... 22

1.3.5. Tham số tối ưu của bộ điều chỉnh bền vững cao. ................................. 24

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG ĐANG LÀM VIỆC . 31

2.1. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐANG LÀM VIỆC. ...... 31

2.1.1 Đặt bài toán nhận dạng hệ nhiều tầng. ................................................... 32

2.1.2 Xác định ảnh của tín hiệu hàm thời gian. .............................................. 34

2.1.3 Xác định hàm truyền của đối tượng. ...................................................... 35

2.1.4 Sai số mô hình hóa và mô hình bất định. ............................................... 36

2.2. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG THEO SỐ LIỆU VẬN HÀNH BÌNH THƯỜNG TẠI

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 2. .............................................................................. 39

2.2.1. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy. 39

2.2.1. Nhận dạng đối tượng. ............................................................................ 40



CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................... 46

3.1. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO HỆ HAI VÒNG. ........... 46

3.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN

PHẢ LẠI 2 ........................................................................................................................... 52

3.2.1. Bộ điều chỉnh vòng trong R2(z). ........................................................... 53

3.2.2. Bộ điều chỉnh vòng ngoài R1(z). ........................................................... 54

3.3. TỔNG HỢP BỘ KHỬ NHIỄU. ................................................................................... 59

3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. ............................................................................................... 61

CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM TRÊN MÔHÌNH VẬT LÝ .............................. 62

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ. ........................................................ 62

4.2. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỨC NƯỚC ......... 65

4.2.1. Bộ điều chỉnh khả lập trình PLC. .......................................................... 65

4.2.2. Van điều chỉnh điện. ............................................................................. 78

4.3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM .... 80

4.3.1. Nhận dạng đối tượng mức trong mô hình thí nghiệm. .......................... 80

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 92

Documents

Tổng hợp điều chỉnh mực nước bao hơi lò nhiệt