Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển chuyển động vị trí cho cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện.

• Tác giả: Nguyễn Thị Trang Nhung
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Quang Lạp
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
• 1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí
• 1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí
• 1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính
• 1.2.2. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí
• 1.2.3. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính
• 1.2.4. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
• 1.2.5. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế
• 1.2.6. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám
• 1.2.7. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t)
• 1.2.8. Phương pháp bù nhiễu
• 1.2.9. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện
• 1.2.9.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện
• 1.2.9.2. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van
• 1.2.9.3. Phân tích và chọn hệ truyền động
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
• 2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí
• 2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC
• 2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC
• 2.2.2. Nguyên lý làm việc
• 2.2.3. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian
• 2.2.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC
• 2.2.5. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC
• 2.2.6. Tổng hợp hệ thống
• 2.2.7. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
• 2.2.8. Tổng hợp mạch vòng tốc độ
• 2.2.9. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC
• 2.2.10. Mô phỏng hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC
• 2.2.11. Kết quả mô phỏng
• 2.2.12. Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó
• 2.2.13. Xây dựng sơ đồ khối mạch vòng vị trí
• 2.2.14. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí
• 2.2.15. Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng khi dùng bộ điều khiển PID
• 2.2.16. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ ĐB_KTVC
• 2.2.17. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính
• 2.2.18. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
• 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt
• 3.2. Nguyên lý điều khiển trượt
• 3.3. Phương pháp điều khiển trượt
• 3.4. Thiết kế luật điều khiển trượt
• 3.5. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững
• 3.6. Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững
• 3.7. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt
• 3.8. Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí
• 3.9. Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí
• 3.10. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt
• 3.11. Nhận xét và kết luận
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Điều Khiển Vị Trí Cánh Hướng Van Ứng Dụng

Điều khiển chuyển động vị trí đóng vai trò then chốt trong các máy sản xuất hiện đại. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc lớn vào độ chính xác của các chuyển động này. Các hệ thống điều khiển vị trí chính xác cao được đánh giá dựa trên các tiêu chí như sai lệch tĩnh nhỏ (3-5%), thời gian quá độ ngắn (thời gian khởi động, hãm dừng), và độ quá điều chỉnh thấp. Các tiêu chuẩn đánh giá phổ biến bao gồm ISE (tích phân bình phương sai lệch), ITAE (tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch), và ITSE (tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch). Việc tối ưu hóa các tiêu chuẩn này giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng của hệ thống điều khiển.

1.1. Ý Nghĩa Quan Trọng của Điều Khiển Vị Trí Chính Xác

Điều khiển vị trí chính xác đảm bảo các chuyển động của máy sản xuất đạt độ chính xác cao nhất. Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các tiêu chí đánh giá như sai lệch tĩnh, thời gian quá độ, và độ quá điều chỉnh cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Việc sử dụng các tiêu chuẩn như ISE, ITAE, và ITSE giúp định lượng và so sánh hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau.

1.2. Các Tiêu Chuẩn Đánh Giá Chất Lượng Điều Khiển Vị Trí

Các tiêu chuẩn như ISE, ITAE, và ITSE cung cấp các phương pháp định lượng để đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí. ISE tập trung vào giảm thiểu sai lệch lớn, ITAE chú trọng vào giảm thiểu sai lệch kéo dài theo thời gian, và ITSE kết hợp cả hai yếu tố. Việc lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Theo tài liệu gốc, việc tối ưu các tiêu chuẩn này giúp nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển.

II. Thách Thức Điều Khiển Vị Trí Tính Phi Tuyến và Nhiễu

Trong thực tế, các hệ thống điều khiển vị trí thường gặp phải các thách thức do tính phi tuyến và tác động của nhiễu. Các yếu tố như sự thay đổi thông số của máy sản xuất (ví dụ: hộp số, tải trọng) và các nhiễu bên ngoài có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống. Việc chỉ ổn định hệ truyền động điện là chưa đủ để đảm bảo độ chính xác của các chuyển động. Do đó, cần thiết kế mạch vòng phản hồi vị trí và sử dụng các bộ điều khiển phi tuyến để bù đắp các sai số và nâng cao chất lượng hệ thống. Các phương pháp như điều khiển mờ, mờ thích nghi, và mờ trượt có thể được áp dụng để giải quyết các vấn đề này.

2.1. Ảnh Hưởng của Tính Phi Tuyến Đến Độ Chính Xác

Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển vị trí có thể gây ra sai số và làm giảm độ chính xác của các chuyển động. Các yếu tố như sự thay đổi thông số của máy sản xuất và các đặc tính phi tuyến của các thành phần cơ khí có thể góp phần vào tính phi tuyến này. Việc sử dụng các bộ điều khiển phi tuyến giúp bù đắp các ảnh hưởng của tính phi tuyến và cải thiện độ chính xác của hệ thống.

2.2. Tác Động của Nhiễu Đến Hệ Thống Điều Khiển Vị Trí

Nhiễu từ môi trường bên ngoài và các nguồn khác có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điều khiển vị trí. Nhiễu có thể gây ra sai số và làm giảm độ ổn định của hệ thống. Việc sử dụng các bộ lọc và các phương pháp điều khiển chống nhiễu giúp giảm thiểu tác động của nhiễu và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Theo tài liệu gốc, việc bù nhiễu là một yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác của hệ thống.

2.3. Tại Sao Cần Mạch Vòng Phản Hồi Vị Trí

Mạch vòng phản hồi vị trí đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của các chuyển động. Mạch vòng này liên tục so sánh vị trí thực tế với vị trí mong muốn và điều chỉnh hệ thống để giảm thiểu sai số. Việc thiết kế và tối ưu hóa mạch vòng phản hồi vị trí là cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất. Theo tài liệu gốc, việc khảo sát mạch vòng phản hồi vị trí là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của các chuyển động trên máy sản xuất.

III. Phương Pháp Điều Khiển Mờ Trượt Giải Pháp Ưu Việt

Điều khiển mờ trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, có khả năng giải quyết các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến và nhiễu trong hệ thống điều khiển vị trí. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của logic mờ (fuzzy logic) và điều khiển trượt (sliding mode control) để tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Điều khiển mờ trượt có khả năng thích ứng với các thay đổi trong hệ thống và môi trường, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao. Việc áp dụng điều khiển mờ trượt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống điều khiển vị trí trong các ứng dụng thực tế.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Điều Khiển Trượt

Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên việc đưa hệ thống về một bề mặt trượt (sliding surface) trong không gian trạng thái. Khi hệ thống ở trên bề mặt trượt, nó sẽ có các đặc tính mong muốn, chẳng hạn như tính ổn định và độ chính xác cao. Điều khiển trượt có khả năng chống nhiễu và thích ứng với các thay đổi trong hệ thống.

3.2. Ưu Điểm của Logic Mờ Trong Điều Khiển

Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và không chính xác. Trong điều khiển, logic mờ có thể được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống phức tạp và thiết kế các bộ điều khiển linh hoạt. Logic mờ có khả năng thích ứng với các thay đổi trong hệ thống và môi trường.

3.3. Kết Hợp Logic Mờ và Điều Khiển Trượt

Điều khiển mờ trượt kết hợp ưu điểm của cả logic mờ và điều khiển trượt. Logic mờ được sử dụng để thiết kế bề mặt trượt và điều khiển trượt được sử dụng để đưa hệ thống về bề mặt trượt. Điều khiển mờ trượt có khả năng chống nhiễu, thích ứng với các thay đổi trong hệ thống và đảm bảo tính ổn định cao.

IV. Ứng Dụng Điều Khiển Cánh Hướng Van Nhà Máy Nhiệt Điện

Việc điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió của nhà máy nhiệt điện là một ứng dụng thực tế quan trọng của điều khiển chuyển động vị trí. Cánh hướng van có vai trò điều chỉnh lưu lượng gió vào lò hơi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ ổn định của quá trình đốt cháy. Việc sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, như điều khiển mờ trượt, có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống điều khiển cánh hướng van, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy nhiệt điện. Theo tài liệu gốc, việc nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van là một yêu cầu rất cần thiết.

4.1. Vai Trò của Cánh Hướng Van Trong Hệ Thống Gió

Cánh hướng van có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng gió vào lò hơi. Việc điều chỉnh lưu lượng gió chính xác giúp đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả và ổn định. Cánh hướng van cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ không khí/nhiên liệu, giúp giảm thiểu lượng khí thải độc hại.

4.2. Yêu Cầu Điều Khiển Đối Với Cánh Hướng Van

Việc điều khiển cánh hướng van đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao. Hệ thống điều khiển phải có khả năng đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện vận hành và đảm bảo lưu lượng gió luôn ở mức tối ưu. Các yếu tố như tính phi tuyến và nhiễu cần được xem xét khi thiết kế hệ thống điều khiển.

4.3. Lợi Ích của Việc Sử Dụng Điều Khiển Mờ Trượt

Điều khiển mờ trượt có thể mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điều khiển cánh hướng van. Phương pháp này có khả năng chống nhiễu, thích ứng với các thay đổi trong hệ thống và đảm bảo tính ổn định cao. Việc sử dụng điều khiển mờ trượt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển cánh hướng van.

V. Mô Phỏng và Đánh Giá Chất Lượng Hệ Thống Ra Sao

Để đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển chuyển động vị trí, cần tiến hành mô phỏng và phân tích kết quả. Việc mô phỏng cho phép kiểm tra hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau và xác định các vấn đề tiềm ẩn. Các kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Phần mềm Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích các hệ thống điều khiển.

5.1. Sử Dụng Matlab Simulink Để Mô Phỏng Hệ Thống

Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích các hệ thống điều khiển. Simulink cung cấp một giao diện đồ họa trực quan để xây dựng các mô hình hệ thống và cho phép mô phỏng hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau. Simulink cũng cung cấp nhiều công cụ để phân tích kết quả mô phỏng và tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển.

5.2. Các Tiêu Chí Đánh Giá Chất Lượng Mô Phỏng

Các tiêu chí đánh giá chất lượng mô phỏng bao gồm thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh và độ ổn định. Thời gian quá độ là thời gian cần thiết để hệ thống đạt đến trạng thái ổn định. Độ quá điều chỉnh là mức độ mà hệ thống vượt quá giá trị mong muốn trước khi đạt đến trạng thái ổn định. Sai lệch tĩnh là sai số giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn ở trạng thái ổn định. Độ ổn định là khả năng của hệ thống duy trì trạng thái ổn định khi có tác động của nhiễu.

5.3. Tinh Chỉnh Thông Số Dựa Trên Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Việc tinh chỉnh thông số có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp tối ưu hóa hoặc bằng cách thử và sai. Mục tiêu là tìm ra các thông số tối ưu để đạt được hiệu suất cao nhất.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai Điều Khiển

Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí, đặc biệt là ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện, mang lại nhiều tiềm năng cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, như điều khiển mờ trượt, có thể giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến và nhiễu. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển thông minh hơn để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của các hệ thống điều khiển hiện đại. Theo tài liệu gốc, việc nghiên cứu các bộ điều khiển thông minh (phi tuyến) để nâng cao chất lượng hệ là rất quan trọng.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được

Nghiên cứu đã trình bày tổng quan về điều khiển chuyển động vị trí, các thách thức liên quan đến tính phi tuyến và nhiễu, và các phương pháp điều khiển tiên tiến, như điều khiển mờ trượt. Nghiên cứu cũng đã đề xuất ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện và trình bày các kết quả mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống.

6.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển thông minh hơn để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của các hệ thống điều khiển hiện đại. Các hướng phát triển có thể bao gồm việc sử dụng các thuật toán học máy để tự động tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển, việc tích hợp các cảm biến thông minh để thu thập thông tin về hệ thống và môi trường, và việc phát triển các hệ thống điều khiển phân tán để tăng cường tính linh hoạt và khả năng mở rộng.

6.3. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Điều Khiển Vị Trí

Nghiên cứu điều khiển vị trí có tầm quan trọng lớn trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp sản xuất đến năng lượng và giao thông vận tải. Việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống điều khiển vị trí có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Điều khiển chuyển động vị trí đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng máy sản xuất, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển máy rô bốt, máy CNC và van công nghiệp. Theo ước tính, sai lệch tĩnh trong các hệ điều khiển vị trí cần được duy trì trong khoảng 3% đến 5% để đảm bảo độ chính xác cao. Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí nhằm ứng dụng trong điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió của nhà máy nhiệt điện, một lĩnh vực có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và an toàn vận hành của lò hơi.

Mục tiêu nghiên cứu là hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí, xây dựng sơ đồ điều khiển vị trí thích hợp cho hệ truyền động động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC), khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống qua mô phỏng bằng bộ điều khiển PID tuyến tính, đồng thời phát triển các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển mờ, mờ thích nghi và mờ trượt nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển gió tại nhà máy nhiệt điện, với dữ liệu và mô phỏng thực hiện trong môi trường Matlab Simulink.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển vị trí, góp phần cải thiện hiệu suất vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện. Các chỉ số đánh giá chất lượng như tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) được sử dụng để đo lường hiệu quả điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển vị trí truyền thống và hiện đại, bao gồm:

• Lý thuyết điều khiển vị trí tuyến tính: Tập trung vào nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID, phân tích các tiêu chuẩn đánh giá như ISE, ITAE và ITSE để tối ưu hóa đáp ứng hệ thống. Khái niệm về tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính được làm rõ qua các quan hệ vận tốc và sai lệch vị trí, đặc biệt trong quá trình hãm.

• Mô hình điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian: Sử dụng phương pháp điều khiển trượt và điều khiển mờ trượt nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn nhất và độ ổn định cao, với các sơ đồ khối điều khiển phi tuyến được thiết kế để bù sai lệch và giảm nhiễu.

• Mô hình điều khiển vector động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC): Biểu diễn động cơ trên hệ tọa độ vectơ không gian và hệ tọa độ quay đồng bộ dq, xây dựng các phương trình điện áp, từ thông và mô men điện từ. Phân tích điều khiển tốc độ động cơ qua mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ với bộ điều khiển PI và P.

• Phương pháp bù nhiễu và bù sai lệch tác động đầu vào: Áp dụng các sơ đồ cấu trúc điều khiển để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu và sai lệch trong quá trình vận hành, đảm bảo hệ thống bất biến với nhiễu.

Các khái niệm chính bao gồm: sai lệch vị trí (Δφ), mô men điện từ (M), bộ điều khiển PID, điều khiển mờ trượt, vector không gian dòng điện, hệ tọa độ dq, và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống (ISE, ITAE).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô hình toán học và mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí trong Matlab Simulink, kết hợp với các thông số kỹ thuật thực tế của động cơ điện ĐB-KTVC và hệ thống van cánh hướng trong nhà máy nhiệt điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng chi tiết, được xây dựng dựa trên các tham số kỹ thuật đo đạc và tính toán thực nghiệm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng và phân tích sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính.
• Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ trượt để nâng cao chất lượng điều khiển.
• Tính toán các thông số bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn modul tối ưu và modul đối xứng.
• Đánh giá hiệu quả điều khiển qua các tiêu chuẩn ISE và ITAE, đồng thời so sánh kết quả mô phỏng giữa các phương pháp điều khiển.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng năm 2016-2017, tập trung vào hệ thống điều khiển gió tại nhà máy nhiệt điện.

Phương pháp chọn mẫu mô phỏng được ưu tiên do tính phức tạp và yêu cầu chính xác cao trong điều khiển vị trí, đồng thời cho phép đánh giá chi tiết các ảnh hưởng của nhiễu và phi tuyến trong hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của bộ điều khiển PID tuyến tính: Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID cho thấy thời gian quá độ ngắn, sai lệch tĩnh nằm trong khoảng 3-5%, đáp ứng các tiêu chuẩn ISE và ITAE. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn hiện tượng dao động nhẹ và không hoàn toàn ổn định khi có nhiễu hoặc thay đổi tải trọng.

2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí: Phân tích quan hệ giữa sai lệch vị trí và vận tốc cho thấy hệ thống có đặc tính phi tuyến rõ rệt, đặc biệt trong quá trình hãm. Việc sử dụng bộ điều khiển tuyến tính với hệ số khuếch đại cố định không thể bù trừ hoàn toàn sai lệch này, dẫn đến hiện tượng dao động và giảm độ chính xác.

3. Nâng cao chất lượng bằng điều khiển mờ trượt: Áp dụng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí giúp giảm đáng kể dao động và sai lệch, cải thiện độ ổn định hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy sai lệch tĩnh giảm xuống dưới 2%, thời gian quá độ được rút ngắn khoảng 15-20% so với bộ điều khiển PID.

4. Ưu điểm của hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC: Hệ truyền động này đáp ứng tốt yêu cầu công suất từ 0,5 đến 1 kW, có khả năng điều chỉnh vô cấp, tác động nhanh nhạy và chất lượng cao. Mô hình điều khiển vector trên hệ tọa độ dq giúp ổn định tốc độ và mô men, đồng thời dễ dàng tích hợp với các bộ điều khiển phi tuyến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng dao động và sai lệch trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính là do đặc tính phi tuyến của cơ cấu truyền động và ảnh hưởng của nhiễu tải không xác định trước. Việc sử dụng bộ điều khiển mờ trượt giúp bù trừ các phi tuyến này hiệu quả hơn, nhờ khả năng thích nghi và điều chỉnh luật điều khiển theo trạng thái hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng của luận văn phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển mờ và điều khiển trượt trong các hệ thống điều khiển vị trí phức tạp. Việc lựa chọn động cơ ĐB-KTVC và hệ truyền động biến tần cũng được đánh giá cao về tính ổn định và hiệu quả năng lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô phỏng đáp ứng vị trí, sai lệch theo thời gian, và bảng so sánh các chỉ số ISE, ITAE giữa các phương pháp điều khiển. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng điều khiển khi áp dụng các phương pháp phi tuyến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển mờ trượt trong hệ thống điều khiển cánh hướng van: Áp dụng bộ điều khiển mờ trượt để nâng cao độ chính xác và ổn định vị trí cánh hướng van, giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2% trong vòng 6 tháng tới, do bộ phận kỹ thuật tự động hóa nhà máy thực hiện.

2. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển PID và PI trong mạch vòng dòng điện và tốc độ: Điều chỉnh các hệ số theo tiêu chuẩn modul tối ưu và modul đối xứng nhằm giảm thời gian quá độ và dao động, hoàn thành trong 3 tháng, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và nhà cung cấp thiết bị.

3. Nâng cấp hệ truyền động động cơ ĐB-KTVC với biến tần hiện đại: Đầu tư và lắp đặt biến tần mới có khả năng điều khiển vector chính xác, đảm bảo công suất phù hợp và khả năng điều chỉnh vô cấp, dự kiến hoàn thành trong 1 năm, do phòng kỹ thuật điện thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về điều khiển mờ trượt và vận hành hệ thống biến tần động cơ ĐB-KTVC, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì kịp thời, thực hiện liên tục trong 6 tháng đầu năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về điều khiển vị trí và ứng dụng điều khiển mờ trượt trong hệ thống truyền động, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.

2. Nhà quản lý vận hành nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ về hệ thống điều khiển gió và vai trò của cánh hướng van, từ đó đưa ra các quyết định nâng cấp và bảo trì phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất lò hơi.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết điều khiển vị trí, mô hình động cơ ĐB-KTVC và các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị điều khiển công nghiệp: Tham khảo các mô hình và phương pháp điều khiển mới, đặc biệt là điều khiển mờ trượt, để phát triển các sản phẩm điều khiển chính xác và ổn định hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển mờ trượt khác gì so với điều khiển PID truyền thống?
   Điều khiển mờ trượt kết hợp ưu điểm của điều khiển mờ và điều khiển trượt, giúp xử lý tốt các phi tuyến và nhiễu không xác định, trong khi PID là bộ điều khiển tuyến tính, hiệu quả với hệ tuyến tính và ít nhiễu. Ví dụ, trong hệ thống van cánh hướng, điều khiển mờ trượt giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2%, trong khi PID thường ở mức 3-5%.

2. Tại sao chọn động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC) cho hệ truyền động?
   Động cơ ĐB-KTVC có chỉ số năng lượng cao, kích thước nhỏ gọn, khả năng quá tải tốt và ổn định tần số quay, phù hợp với yêu cầu công suất nhỏ đến vừa của hệ thống van cánh hướng. Ngoài ra, điều khiển vector trên hệ tọa độ dq giúp điều khiển chính xác mô men và tốc độ.

3. Tiêu chuẩn ISE và ITAE được áp dụng như thế nào trong đánh giá hệ thống?
   ISE tập trung giảm sai lệch lớn ban đầu, phù hợp với hệ cần giảm tiêu thụ năng lượng, còn ITAE đánh giá nặng sai lệch kéo dài trong quá trình quá độ, giúp giảm dao động và độ quá điều chỉnh. Luận văn sử dụng cả hai để đánh giá và tối ưu bộ điều khiển.

4. Phương pháp bù nhiễu có vai trò gì trong hệ điều khiển?
   Bù nhiễu giúp hệ thống bất biến với các tác động nhiễu tải không xác định trước, như mô men cản hoặc áp suất thay đổi, từ đó duy trì độ chính xác và ổn định của vị trí cánh hướng van trong quá trình vận hành.

5. Làm thế nào để triển khai thực tế bộ điều khiển mờ trượt trong nhà máy?
   Cần xây dựng thuật toán điều khiển mờ trượt trên bộ xử lý trung tâm (CPU), tích hợp với cảm biến vị trí và hệ truyền động động cơ ĐB-KTVC, sau đó tiến hành thử nghiệm mô phỏng và hiệu chỉnh tham số trước khi áp dụng thực tế. Đào tạo nhân viên vận hành cũng là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả.

Kết luận

• Hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí và ứng dụng thành công trong điều khiển cánh hướng van tại nhà máy nhiệt điện.
• Xây dựng và mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính, đạt sai lệch tĩnh 3-5% và thời gian quá độ ngắn.
• Phát triển bộ điều khiển mờ trượt giúp giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2%, cải thiện độ ổn định và giảm dao động hệ thống.
• Lựa chọn hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC phù hợp với yêu cầu công suất và điều khiển chính xác trong hệ thống van cánh hướng.
• Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào thử nghiệm thực tế và tối ưu hóa thuật toán điều khiển mờ trượt, đồng thời mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điều khiển vị trí khác trong công nghiệp. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai và đánh giá hiệu quả trong thực tế sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT 1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào chuyển động của các máy sản xuất. Các chuyển động này có độ chuyển động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt. Các chuyển động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng máy,.), độ quá điều chỉnh nhỏ.

Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu chuẩn - Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)  Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây   e (t )dt 2 (1-1) 0 Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ bậc hai. Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định.

Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng.  Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây   t. e(t ) dt 0 (1-2) Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh.

Việc tính toán bằng 13 c giải tích tích phân (1-2) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm một các dễ dàng.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE)  Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)   te (t )dt 2 (1-3) 0 Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE. Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động điện. Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô men cắt gọt thay đổi.Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất. Vậy muốn đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế, 14 c tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí.

Với những nhận xét về các đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều khiển tuyến tính là PID. Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến. Trong trường hợp đối tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi. thì việc thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều khiển PID tuyến tính.

Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến. Việc thiết kế cho phương pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của hệ. Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của máy sản xuất. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí 1.

Hệ điều khiển vị trí tuyến tính 1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy,. Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW. Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt  w ) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ.

Thông thường lượng điều khiển  w là một hàn của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hoà. Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tuỳ động). 15 c Sơ đồ hệ điều khiển vị trí được xây dựng như sau: w   1 2 3 (-) Hình 1. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí Trong đó: Khối 1: Bộ điều khiển vị trí Khối 2: Hệ truyền động điện ổn định tốc độ Khối 3: Đối tượng điều khiển chuyển động của máy sản xuất Đối với khối 1 nếu đối tượng là tuyến tính thì bộ điều khiển là tuyến tính.

Trong luận văn này đối tượng điều khiển là van thì xem đối tượng sản xuất thông thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta xem là khâu tỷ lệ, chủ yếu là phụ thuộc vào hộp giảm tốc. Cụ thể lượng ra của động cơ là tốc độ điện (  ) và lượng ra của chuyển động là tốc độ dài (  ). Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính Trong phần I.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến.

Quan hệ này được xem xét sau đây: Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau, nghĩa là: (1  2 ).R  h (2-1) h - quãng đường hãm: h = 1  2.  h - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm. Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức: 16 c 1 m2 ax.r  h m ax  2  h m ax (2-2) Trong đó  h m axlà gia tốc hãm cực đại cho trước. Từ (2-1) và (2-2) ta có: 1 m2 ax. h max Khi chọn R      (2-4) max 2 .r Quãng đường đi dược trong lúc hãm là: h2 .h max  (2-5)  Khi tổng hợp mạch vòng vị trí R , ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại    const nhưng quan hệ tĩnh   f () trong quá trình hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2.

Quan hệ giữa  và ω Như vậy khi  càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. 17 c Ta thấy hệ   f ( ) là phi tuyến và việc chọn R chỉ chứa hệ số khuếch đại    const là không hợp lý. Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể dùng bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt,. hoặc kết hợp bộ điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ.

Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian với thiết bị tương tự (analog) Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao. Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân. Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc của hệ như sau: Hình 1.

Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Phương trình đối với tốc độ và vị trí là:   C maxt (2-6) 1   C m axt 2   o 2 o là vị trí ban đầu. Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6) Md w  2  Sign( ) (2-7) J 18 c Ở đây  d  C dientu là mô men hãm. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch. Tùy theo sai lệch vị trí mà bộ điều chỉnh sẽ đưa lệnh hãm.

Mô men điện từ của động cơ được tính bằng:  dt   maxSign(w   ) (2-8) Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh hai vị trí.