CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC 1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước 1. Sự cần thiết ổn định mức nước Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị.
Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi. Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “ Ổn định mức nước ”. Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công nghiệp, Nông nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy như: công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng, bể chứa nước thải. Ứng dụng kiểm soát mức nước điều chỉnh mức nước trong bể để giảm lượng nước thừa trong bể.
Ngoài ra hệ thống này còn tăng khả năng điều chỉnh của bể, để đảm bảo đầu ra ổn định tới hệ thống nước thải và xử lý nước thải. Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng như: phương pháp thủ công, phương pháp tự động hóa. Và ngày này phần lớn đều sử dụng phương LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 pháp tự động hóa nhằm giảm bớt sức lao động con người, tăng hiệu quả sản xuất về kinh phí cũng như độ chính xác. Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể như sau: 1.
Lĩnh vực sản xuất điện +Nhiệt điện Phần lớn việc giám sát và quản lý chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng Hình 1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó giúp thải một lượng nhiệt khá lơn ra bên ngoài (40-45%) lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi. Tuy lượng nhiệt phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường.
Chính vì thế mà hiệu quả LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 thải nhiệt phụ thuộc vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng. Ngoài ra việc giám sát và quản lý ổn định mức nước cũng được ứng dụng trong hệ thống làm mát của các nhà máy nhiệt điện. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện than + Điện hạt nhân Cũng giống như nhà máy nhiệt điện nhà máy điện hạt nhân việc giám sát quản lý ổn định mức nước được ứng dụng trong các hệ thống làm mát. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân + Thủy điện Thủy điện là năng lượng điện có được từ nguồn nước, đa số năng lượng điện có được từ thế năng của nước tích tại các đập nước làm quay Tuabin nước và máy phát điện. Do việc lấy nước là năng lượng chính trong việc sản xuất điện nên việc điều tiết nước sao cho hợp lý và hiệu quả tùy vào thời điểm, lượng tiêu thụ điện, cũng như đảm bảo việc xả nước cần đến tự động hóa nhằm đảm bảo độ chính xác, tính hiệu qủa và hợp lý. Ở nhà máy thủy điện thường có hệ thống tự động đo và điều chỉnh lưu lượng nước trong hồ, lưu lượng nước chảy vào hệ thống điều khiển Tuabin làm quay máy phát điện. Lĩnh vực xử lý nước thải LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Nước thải có ở mọi nơi như khu dân cư, công ty bệnh viện xí nghiệp.
Vấn đề xử lý nước thải luôn là vấn đề nóng được quan tâm giải quyết và xử lý sao cho hiệu quả nhằm bảo vệ sức khỏe và môi trường. Sơ đồ xử lý nước thải Từ sơ đồ trên ta thấy các bể chứa đều được liên kết với nhau và vận hành theo chu trình khép kín. Chính vì vậy mà cần có sự tự động hóa để điều chỉnh và ổn định mức nước đảm bảo cho hệ thống hoạt động đạt hiệu quả tốt nhất. Từ đó giúp làm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí vận hành.
Nhà máy sản xuất nước Với tình trạng công nghiệp hoá như hiện nay, nguồn nước sạch đang bị ô nhiễm nặng nề. Chính vì vậy các nhà máy sản xuất nước sạch, nước tinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 khiết đóng chai. được xây dựng ở khắp nơi nhằm cung cấp đầy đủ nhu cầu sử dụng của người dân. Do lượng nước sạch tiêu thu không cố định nên hệ thống cấp nước phải được điều khiển sao cho áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định.
Sơ đồ quy trình xử lý nước cấp Hầu hết các nhà may sản xuất nước tinh khiết trên thị trường hiện nay đều sử dụng công nghệ giám sát điều khiển tự động nhằm ổn định mức nước. Nước được bơm từ nguồn đưa qua hệ thống lọc nước gồm các bể chứa, qua các giai đoạn xử lý và cuối cùng đưa đến đầu ra. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền sản xuất nước tinh khiết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Công nghệ lọc hóa dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn Lọc hóa dầu, tháp nước và các trạm bơm lớn việc ứng dụng tự động hóa vào để ổn định mức nước bình chứa cũng được áp dụng. Nó đảm bảo độ chính xác cao và nâng cao năng suất đồng thời giảm bớt chi phí sản xuất. Hệ thống công trình máy bơm 1. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn nước.
Hệ thống bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 nước trong bồn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi. Việc điều khiển hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.
Vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy ứng dụng tự động hóa với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao. Các phương thức điều khiển 1. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả.
Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như: - Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hoá lý phức tạp mô tả hệ. - Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện. - Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế. Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn.
Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến. Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.
Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển lưu lượng dòng chảy đã được thiết kế và sử dụng. Trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là: - Sử dụng bộ PID truyền thống, từ đơn giản đến phức tạp, có nghĩa là thiết kế thêm bộ điều khiển bù dao động bên cạnh bộ điều khiển vị trí. Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh cho phù hợp. - Sử dụng công cụ lý thuyết tiên tiến nhưlogic mờ và mạng nơ ron nhân tạo.
Theo hướng này cũng nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp như: + Chỉ sử dụng logic mờ (ưu điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết chính xác mô hình đối tượng); + Chỉ sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (mạng nơ ron nhân tạo là sử dụng kỹ thuật tái tạo lại một vài chức năng tương tự bộ não con người.