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 thường được kiểm soát trong khoảng 3% đến 5%, nhằm đảm bảo độ chính xác cao cho sản phẩm. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển vị trí thường gặp phải các vấn đề về tính phi tuyến và biến đổi thông số trong quá trình vận hành, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng trong điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió của nhà máy nhiệt điện. Mục tiêu chính là hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển vị trí, xây dựng sơ đồ điều khiển thích hợp, khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống thông 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 chất lượng hệ truyền động.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC) trong nhà máy nhiệt điện, với thời gian nghiên cứu từ năm 2015 đến 2017. Việc nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả điều khiển lưu lượng gió, góp phần cải thiện hiệu suất và độ ổn định của lò hơi, đồng thời phục vụ cho việc ứng dụng thực tiễn và phát triển công nghệ điều khiển tự động trong ngành công nghiệp năng lượng.

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:

  • Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển: 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), và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE). Các tiêu chuẩn này giúp đánh giá sai lệch tĩnh, thời gian quá độ và độ ổn định của hệ thống.
  • Mô hình điều khiển vị trí tuyến tính và phi tuyến: Hệ điều khiển vị trí tuyến tính sử dụng bộ điều khiển PID, trong khi các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển mờ, mờ thích nghi và mờ trượt được áp dụng để xử lý các đặc tính phi tuyến và biến đổi thông số trong thực tế.
  • Mô hình động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC): Biểu diễn động cơ trên hệ tọa độ vectơ không gian, chuyển đổi sang hệ tọa độ quay đồng bộ d-q, và xây dựng sơ đồ điều khiển vector biến tần nhằm ổn định tốc độ và momen động cơ.
  • Phương pháp bù sai lệch và bù nhiễu: Áp dụng các phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào và bù nhiễu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu loạn và tăng độ chính xác của hệ điều khiển vị trí.

Các khái niệm chính bao gồm: sai lệch vị trí (Δφ), momen điện từ (M), tốc độ góc (ω), bộ điều khiển PID, điều khiển mờ trượt, vector dòng điện stator (isα, isβ), và hàm truyền hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink, kết hợp với các số liệu thực tế từ hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mô hình động cơ và hệ thống điều khiển với các tham số kỹ thuật được xác định dựa trên đặc tính thực tế của động cơ ĐB-KTVC và van cánh hướng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng và phân tích sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính.
  • Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống qua các tiêu chuẩn ISE, ITAE, ITSE.
  • Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển mờ trượt nhằm nâng cao chất lượng điều khiển trong môi trường có tính phi tuyến và nhiễu loạn.
  • Phân tích đặc tính động cơ điện ĐB-KTVC trên hệ tọa độ d-q, xây dựng sơ đồ điều khiển vector biến tần để ổn định tốc độ và momen.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ việc khảo sát lý thuyết đến mô phỏng và đánh giá kết quả.

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 bằng bộ điều khiển PID cho thấy thời gian quá độ ngắn, sai lệch tĩnh nằm trong khoảng 3% - 5%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn hiện tượng dao động nhẹ do tính phi tuyến của đặc tính van cánh hướng và biến đổi tải trọng.

  2. Tính phi tuyến của đặc tính van cánh hướng: Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng là phi tuyến, đặc biệt tại các vị trí gần đóng hoặc mở hoàn toàn, gây ra sự thay đổi lớn về lưu lượng gió với những thay đổi nhỏ về góc mở. Khi sử dụng nhiều van cánh hướng đồng bộ, đặc tính này có xu hướng tuyến tính hơn, giúp cải thiện độ chính xác điều khiển.

  3. Ưu điểm của hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC: Hệ truyền động này có khả năng ổn định tốc độ và momen tốt, với công suất phù hợp (khoảng 0,5 – 1 kW), đáp ứng yêu cầu điều khiển van cánh hướng. Mô phỏng cho thấy hệ thống có thể duy trì tốc độ ổn định với sai số nhỏ hơn 2%, đồng thời giảm thiểu dao động khi thay đổi tải.

  4. Nâng cao chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển mờ trượt: Ứng dụng bộ điều khiển mờ trượt giúp giảm đáng kể sai lệch vị trí và dao động so với bộ điều khiển PID. Mô phỏng với tín hiệu đầu vào Ud = 15V cho thấy độ ổn định và độ chính xác của hệ được cải thiện khoảng 15% so với phương pháp tuyến tính.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động và sai lệch trong hệ điều khiển vị trí là do đặc tính phi tuyến của van cánh hướng và sự biến đổi tải trọng trong quá trình vận hành. Bộ điều khiển PID tuyến tính mặc dù đơn giản và dễ triển khai nhưng không thể hoàn toàn khắc phục các vấn đề này. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển mờ trượt giúp bù đắp các sai số phi tuyến và tăng khả năng chống nhiễu, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng và ứng dụng bộ điều khiển mờ trượt phù hợp với xu hướng phát triển các hệ điều khiển thông minh trong công nghiệp hiện đại. Việc sử dụng động cơ ĐB-KTVC kết hợp biến tần cũng được đánh giá cao về hiệu suất và độ tin cậy, phù hợp với yêu cầu truyền động cho van cánh hướng trong nhà máy nhiệt điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô phỏng tốc độ, momen và sai lệch vị trí theo thời gian, cũng như bảng so sánh các tiêu chuẩn ISE, ITAE giữa các phương pháp điều khiển khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển mờ trượt trong hệ thống điều khiển van cánh hướng: Áp dụng bộ điều khiển mờ trượt nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống, giảm thiểu sai lệch vị trí và dao động. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật tự động hóa nhà máy chủ trì.

  2. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển PID và mờ trượt qua mô phỏng thực tế: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để điều chỉnh các tham số bộ điều khiển phù hợp với đặc tính thực tế của van và động cơ, đảm bảo hiệu suất tối ưu. Thời gian thực hiện 3 tháng, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và kỹ sư vận hành.

  3. Nâng cấp hệ truyền động động cơ ĐB-KTVC với biến tần hiện đại: Đầu tư vào các biến tần có khả năng điều khiển vector chính xác, tăng khả năng đáp ứng nhanh và ổn định của động cơ. Thời gian thực hiện 1 năm, do ban quản lý dự án và phòng kỹ thuật điện đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho đội ngũ vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về điều khiển tự động, đặc biệt là các kỹ thuật điều khiển phi tuyến và vận hành hệ thống biến tần động cơ ĐB-KTVC. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự phối hợp với các chuyên gia kỹ thuật.

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, đặc biệt là ứng dụng trong hệ thống điều khiển van cánh hướng, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định hệ thống.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật vận hành nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ về các phương pháp điều khiển hiện đại, từ đó đưa ra các quyết định nâng cấp hệ thống điều khiển gió nhằm tối ưu hóa hiệu suất lò hơi.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy và phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển vị trí và điều khiển phi tuyến.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển thông minh: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm để phát triển các thuật toán điều khiển mờ, điều khiển trượt và các phương pháp điều khiển phi tuyến khác trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điều khiển vị trí có vai trò gì trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện?
    Điều khiển vị trí giúp điều chỉnh chính xác độ mở cánh hướng van, từ đó kiểm soát lưu lượng gió vào lò hơi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và an toàn vận hành của nhà máy.

  2. Tại sao cần sử dụng bộ điều khiển phi tuyến như điều khiển mờ trượt thay vì chỉ dùng PID?
    Bộ điều khiển phi tuyến xử lý tốt các đặc tính phi tuyến và biến đổi thông số trong thực tế, giảm sai lệch và dao động mà bộ PID tuyến tính không thể khắc phục hiệu quả.

  3. Động cơ điện ĐB-KTVC có ưu điểm gì so với các loại động cơ khác?
    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 cho các ứng dụng truyền động chính xác như điều khiển van cánh hướng.

  4. Phương pháp bù nhiễu được áp dụng như thế nào trong hệ điều khiển vị trí?
    Phương pháp bù nhiễu sử dụng cấu trúc bất biến đối với nhiễu loạn, giúp hệ thống giảm thiểu ảnh hưởng của các tác động ngoại sinh như mômen cản và áp suất thay đổi, nâng cao độ chính xác điều khiển.

  5. Làm thế nào để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển vị trí?
    Chất lượng được đánh giá qua các tiêu chuẩn như ISE, ITAE và ITSE, đo lường sai lệch tĩnh, thời gian quá độ và độ ổn định của hệ thống thông qua mô phỏng và thực nghiệm.

Kết luận

  • Hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí và ứng dụng thành công trong điều khiển cánh hướng van nhà máy nhiệt điện.
  • Xây dựng và mô phỏng hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC với bộ điều khiển PID đạt hiệu suất ổn định và sai lệch thấp.
  • Phát triển bộ điều khiển mờ trượt giúp nâng cao chất lượng điều khiển, giảm sai lệch và dao động so với phương pháp tuyến tính.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm ứng dụng hiệu quả trong thực tế vận hành nhà máy.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến và tối ưu hóa hệ thống trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế bộ điều khiển mờ trượt và tối ưu tham số điều khiển trên hệ thống thực tế, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành để đảm bảo hiệu quả ứng dụng lâu dài.