Luận văn thạc sĩ về điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ

Khám phá luận văn thạc sĩ về điều khiển và ổn định mức nước với ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ, mang lại giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Mẫn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: Ts. Dương Chính Cương
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC
• 1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước
• 1.2. Sự cần thiết ổn định mức nước
• 1.3. Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước
• 1.4. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa. Các phương thức điều khiển
• 1.5. Đặt bài toán điều khiển mức nước
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Phương pháp điều khiển PID
• 2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ
• 2.3. Lịch sử phát triển logic mờ
• 2.4. Cơ sở lý thuyết mờ
• 2.5. Mô hình mờ TSK
• 2.6. Bộ điều khiển mờ cơ bản
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ
• 3.1. Mô hình của bồn chứa
• 3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa
• 3.3. Phương án sử dụng bộ điều khiển PID
• 3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ
• 3.5. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển mức nước bằng PID và logic mờ

Nghiên cứu điều khiển và ổn định mức nước là một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. Việc duy trì mức nước ổn định không chỉ đảm bảo hiệu quả sản xuất mà còn bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng. Bộ điều chỉnh PID và logic mờ là hai phương pháp phổ biến được áp dụng để giải quyết vấn đề này. Bộ điều chỉnh PID giúp điều chỉnh mức nước một cách chính xác, trong khi logic mờ cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn và biến đổi.

1.1. Ứng dụng của bộ điều chỉnh PID trong điều khiển mức nước

Bộ điều chỉnh PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển mức nước. Nó giúp duy trì mức nước ổn định bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước vào và ra khỏi bồn chứa. Việc áp dụng PID giúp giảm thiểu sai số và tăng cường độ chính xác trong quá trình điều khiển.

1.2. Logic mờ và vai trò trong điều khiển mức nước

Logic mờ cho phép xử lý các biến số không chắc chắn trong hệ thống điều khiển. Nó giúp cải thiện khả năng điều khiển mức nước trong các tình huống phức tạp, nơi mà các phương pháp truyền thống không thể đáp ứng được. Sự kết hợp giữa logic mờ và PID mang lại hiệu quả cao hơn trong việc duy trì mức nước ổn định.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển mức nước

Điều khiển mức nước gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong các hệ thống công nghiệp lớn. Các yếu tố như thay đổi lưu lượng nước, áp suất và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc duy trì mức nước ổn định trong các điều kiện này là một thách thức lớn. Hệ thống cần có khả năng phản ứng nhanh chóng với các biến đổi để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức nước

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến mức nước trong bồn chứa, bao gồm lưu lượng nước vào và ra, áp suất và nhiệt độ. Việc theo dõi và điều chỉnh các yếu tố này là rất quan trọng để duy trì mức nước ổn định.

2.2. Thách thức trong việc duy trì mức nước ổn định

Việc duy trì mức nước ổn định trong các hệ thống công nghiệp lớn là một thách thức lớn. Các biến đổi đột ngột trong lưu lượng nước có thể dẫn đến tình trạng tràn hoặc cạn kiệt, gây ảnh hưởng đến quá trình sản xuất.

III. Phương pháp điều khiển PID trong ổn định mức nước

Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc duy trì mức nước ổn định. Bộ điều chỉnh PID hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Sự kết hợp của ba thành phần này giúp điều chỉnh mức nước một cách chính xác và hiệu quả.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh PID

Bộ điều chỉnh PID hoạt động bằng cách so sánh mức nước thực tế với mức nước mong muốn. Dựa trên sai số này, bộ điều chỉnh sẽ điều chỉnh lưu lượng nước vào hoặc ra khỏi bồn chứa để duy trì mức nước ổn định.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng PID trong điều khiển mức nước

Sử dụng bộ điều chỉnh PID giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong việc duy trì mức nước. Nó cũng giúp giảm thiểu thời gian phản ứng và tăng cường hiệu suất của hệ thống điều khiển.

IV. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển mức nước

Logic mờ là một phương pháp điều khiển hiện đại, cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn và biến đổi. Việc áp dụng logic mờ trong điều khiển mức nước giúp cải thiện khả năng điều chỉnh và tăng cường hiệu suất của hệ thống.

4.1. Cơ sở lý thuyết của logic mờ

Logic mờ dựa trên lý thuyết tập mờ, cho phép xử lý các biến số không chắc chắn. Nó giúp xây dựng các luật điều khiển dựa trên kinh nghiệm và kiến thức của chuyên gia, từ đó cải thiện khả năng điều khiển.

4.2. Lợi ích của logic mờ trong điều khiển mức nước

Sử dụng logic mờ giúp cải thiện khả năng điều chỉnh mức nước trong các tình huống phức tạp. Nó cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các biến đổi, từ đó duy trì mức nước ổn định và hiệu quả.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp bộ điều chỉnh PID và logic mờ mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì mức nước ổn định. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển.

5.1. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển

Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng MATLAB cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc duy trì mức nước ổn định khi áp dụng cả PID và logic mờ. Các kết quả này chứng minh tính khả thi của phương pháp.

5.2. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp

Hệ thống điều khiển mức nước đã được áp dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, xử lý nước và sản xuất điện. Việc sử dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ đã giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro.

VI. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về điều khiển và ổn định mức nước bằng bộ điều chỉnh PID và logic mờ đã mở ra nhiều hướng phát triển mới. Việc kết hợp các phương pháp điều khiển hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các hệ thống điều khiển mức nước.

6.1. Tương lai của nghiên cứu điều khiển mức nước

Nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các phương pháp điều khiển mới, nhằm cải thiện khả năng điều chỉnh và tăng cường hiệu suất của hệ thống. Sự kết hợp giữa các công nghệ mới và phương pháp truyền thống sẽ mang lại nhiều cơ hội mới.

6.2. Ứng dụng công nghệ mới trong điều khiển

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được áp dụng để cải thiện khả năng điều khiển mức nước. Việc tích hợp các công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các hệ thống điều khiển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp hiện đại như nhiệt điện, lọc hóa dầu, hóa chất và xử lý nước sạch, việc duy trì mức chất lỏng ổn định đóng vai trò quyết định đến hiệu suất vận hành. Điển hình tại các nhà máy nhiệt điện than, hệ thống tuần hoàn làm mát bình ngưng phải giải phóng từ 40% đến 45% lượng nhiệt nhận được từ lò hơi; do đó, sự cố dao động mức nước có thể gây gián đoạn toàn bộ chu trình nhiệt. Bài toán nghiên cứu tập trung giải quyết tính chất phi tuyến, quán tính lớn và độ trễ thời gian của hệ thống bồn chứa nước khi lưu lượng xả đầu ra thay đổi liên tục.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học cho hệ thống bồn nước đơn, khảo sát thuật toán điều khiển vi tích phân tỉ lệ kinh điển và thiết kế bộ điều khiển logic mờ nhằm ổn định mức nước đạt độ chính xác cao. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông thuộc Đại học Thái Nguyên, hoàn thành vào năm 2020. Nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng quá trình điều khiển góc mở van và bơm cấp nước với gia tốc trọng trường chuẩn 9.8 mét trên giây bình phương. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy hệ thống, triệt tiêu sai lệch tĩnh về 0% và giảm thiểu dao động mức nước trong phạm vi sai số dưới 1%, giúp tiết kiệm chi phí năng lượng và bảo vệ thiết bị công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết điều khiển cốt lõi: lý thuyết điều khiển phản hồi kinh điển và lý thuyết tập mờ do Giáo sư Lotfi A. Zadeh khởi xướng từ năm 1965. Cấu trúc bộ điều chỉnh bao gồm phương trình vi tích phân tỉ lệ liên tục dựa trên ba hệ số khuếch đại tỉ lệ, tích phân và đạo hàm. Bên cạnh đó, mô hình điều khiển mờ Mamdani và mô hình tuyến tính Takagi-Sugeno-Kang được áp dụng để xử lý các đặc tính phi tuyến của dòng chảy.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được chuẩn hóa bao gồm:

1. Hàm liên thuộc biểu diễn độ phụ thuộc của biến vật lý vào tập mờ trong đoạn từ 0 đến 1 dưới các dạng hình tam giác, hình thang và hình chuông Gaussian.
2. Không gian biến ngôn ngữ đầu vào gồm sai lệch mức nước và tốc độ biến thiên sai lệch, cùng biến ngôn ngữ đầu ra là tín hiệu điều khiển van cấp.
3. Tập luật hợp thành theo nguyên tắc suy luận kết hợp các phép toán giao cực tiểu và hợp cực đại.
4. Thuật toán giải mờ xác định giá trị điều khiển rõ thông qua phương pháp điểm trọng tâm và phương pháp độ cao.

Động học bồn chứa chất lỏng được mô tả thông qua định luật bảo toàn khối lượng và định luật Torricelli, thiết lập mối quan hệ phi tuyến giữa lưu lượng xả và căn bậc hai của chiều cao cột nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích toán học kết hợp thực nghiệm mô phỏng trên nền tảng MATLAB và Simulink. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được xây dựng từ mô hình bồn chứa đơn có diện tích tiết diện bồn cố định, tiết diện đường ống xả xác định và góc mở van điều khiển biến thiên từ 0 đến 1.

Mẫu khảo sát thực nghiệm gồm 10 kịch bản mô phỏng động học với các mức nước đặt từ 0.5 mét đến 2.5 mét, cùng các bước nhảy đột ngột của tải xả từ 20% đến 80%. Phương pháp chọn mẫu này đại diện đầy đủ cho các trạng thái làm việc tĩnh và quá độ của hệ thống công nghiệp. Lý do lựa chọn mô phỏng số trên MATLAB và Simulink là khả năng giải chính xác hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao, hỗ trợ quan sát trực quan đồ thị đáp ứng quá độ và cho phép tối ưu hóa các hệ số điều khiển mà không gây rủi ro hư hỏng thiết bị vật lý. Quá trình tính toán, thiết kế luật mờ và kiểm chứng mô hình được thực hiện tuần tự trong năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và khảo sát thực nghiệm trên phần mềm MATLAB và Simulink đã ghi nhận các kết quả cụ thể sau:

Thứ nhất, bộ điều khiển kinh điển phụ thuộc lớn vào việc lựa chọn hệ số khuếch đại tỉ lệ. Khi thiết lập hệ số tỉ lệ bằng 5, hệ thống đáp ứng chậm với thời gian xác lập kéo dài trên 18 giây. Khi tăng hệ số tỉ lệ lên 10, tốc độ đáp ứng tăng lên nhưng xuất hiện độ quá điều chỉnh từ 8% đến 12%, gây hiện tượng dao động quanh giá trị đặt.

Thứ hai, bộ điều khiển logic mờ với 25 luật hợp thành dạng bảng 5x5 kết hợp phương pháp giải mờ trọng tâm cho chất lượng điều khiển vượt trội. Chiều cao mức nước đạt giá trị đặt một cách êm thuận, triệt tiêu hoàn toàn độ quá điều chỉnh về mức 0% và rút ngắn thời gian quá độ khoảng 35% so với phương pháp truyền thống.

Thứ ba, khả năng kháng nhiễu của hệ thống mờ vượt trội khi lưu lượng xả thay đổi đột ngột từ 30% đến 50%. Bộ điều khiển mờ đưa mức nước trở lại trạng thái ổn định chỉ sau 3.5 giây với độ lệch cực đại dưới 2%, trong khi bộ điều khiển thông thường mất hơn 8.2 giây và để lại sai lệch tĩnh xấp xỉ 6%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về chất lượng điều khiển bắt nguồn từ bản chất phi tuyến của đối tượng bồn nước. Lưu lượng chất lỏng chảy ra tỉ lệ với căn bậc hai của chiều cao cột nước, khiến điểm làm việc liên tục thay đổi. Bộ điều chỉnh tham số cố định chỉ tối ưu tại một điểm làm việc cục bộ và suy giảm chất lượng khi có nhiễu tác động. Ngược lại, bộ điều khiển mờ tích hợp tri thức chuyên gia thông qua các biến ngôn ngữ, cho phép tự động điều chỉnh độ lợi phù hợp với từng vùng sai lệch.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua đồ thị đáp ứng thời gian trong khối Scope và cửa sổ quan sát luật Rule Viewer của Simulink. Bảng so sánh các tiêu chuẩn tích phân sai số cho thấy bộ điều khiển mờ giảm thiểu đáng kể chỉ số tích phân tuyệt đối sai số theo thời gian. So sánh với các nghiên cứu cùng thời kỳ trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa, kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế, khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng logic mờ trong các hệ thống phi tuyến có tham số biến đổi.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

1. Ứng dụng cấu trúc điều khiển mờ lai kết hợp bộ điều chỉnh tham số thích nghi trong các nhà máy nhiệt điện và trạm cấp nước đô thị. Mục tiêu nhằm nâng cao độ chính xác giữ mức nước lên trên 98% và giảm mức tiêu hao năng lượng của máy bơm từ 15% đến 20%. Giải pháp do các kỹ sư điều khiển nhà máy triển khai trong lộ trình 6 đến 12 tháng.
2. Nâng cấp bảng luật mờ từ 25 luật lên 49 luật kết hợp nhận dạng trực tuyến đặc tính bồn chứa. Động thái này giúp làm mịn tín hiệu điều khiển góc mở van, hướng tới triệt tiêu hoàn toàn rung lắc thủy lực trong hệ thống đường ống. Nhiệm vụ do các nhóm nghiên cứu và phòng phát triển công nghệ thực hiện trong vòng 18 tháng.
3. Nhúng thuật toán logic mờ vào các dòng bộ điều khiển khả trình công nghiệp chuyên dụng và vi xử lý 32-bit. Mục tiêu giảm chu kỳ trích mẫu xuống dưới 10 mili giây, đảm bảo khả năng xử lý thời gian thực cho các hệ thống bồn chứa dung tích lớn. Các kỹ sư tích hợp hệ thống chủ trì thực hiện trong thời gian 3 đến 6 tháng.
4. Xây dựng hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu tự động kết nối qua chuẩn truyền thông công nghiệp. Hệ thống cho phép phát hiện sớm rò rỉ đường ống và giảm tỉ lệ thất thoát nước dưới 5% trong giai đoạn vận hành từ năm 2026 đến năm 2030, do các đơn vị quản lý mạng lưới cấp thoát nước phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển, Tự động hóa và Cơ điện tử. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp xây dựng mô hình toán phi tuyến, thiết kế hàm liên thuộc và kỹ thuật mô phỏng hệ thống điều khiển mờ trên MATLAB và Simulink.

Nhóm thứ hai là kỹ sư vận hành tại các nhà máy hóa chất, lọc dầu và xử lý nước thải. Tài liệu hỗ trợ trường hợp ứng dụng thực tế trong việc cải tiến thuật toán điều khiển mức bồn chứa, khắc phục hiện tượng tràn hoặc cạn bồn khi lưu lượng tiêu thụ thay đổi bất thường.

Nhóm thứ ba là giảng viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển thông minh. Bản luận văn đóng vai trò như một bài tập lớn mẫu mực, phục vụ công tác giảng dạy lý thuyết mờ, mô hình Takagi-Sugeno và phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển tự động.

Nhóm thứ tư là các đơn vị tư vấn thiết kế hệ thống cấp thoát nước công nghiệp. Báo cáo cung cấp căn cứ kỹ thuật để lựa chọn van điều khiển, cảm biến mức và cấu hình vòng điều khiển tối ưu hóa năng lượng cho trạm bơm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bộ điều khiển kinh điển gặp khó khăn khi kiểm soát mức nước bồn chứa? Đối tượng bồn nước mang tính phi tuyến do lưu lượng xả phụ thuộc vào căn bậc hai của mức nước. Bộ điều khiển truyền thống có tham số cố định chỉ hoạt động tốt quanh điểm làm việc danh định, khi lưu lượng xả thay đổi từ 30% đến 50% sẽ gây ra dao động hoặc sai lệch tĩnh lớn.

Mô hình mờ Mamdani và Takagi-Sugeno-Kang khác nhau như thế nào trong bài toán này? Mô hình Mamdani sử dụng các tập mờ cho cả biến đầu vào và đầu ra, đòi hỏi quá trình giải mờ phức tạp bằng phương pháp trọng tâm. Mô hình Takagi-Sugeno-Kang biểu diễn đầu ra dưới dạng hàm tuyến tính hoặc hằng số rõ, giúp tiết kiệm bộ nhớ xử lý và tính toán nhanh hơn.

Hai biến ngôn ngữ đầu vào chính của bộ điều khiển mờ là gì? Hệ thống sử dụng sai lệch mức nước giữa giá trị đặt và giá trị đo thực tế, cùng tốc độ biến thiên sai lệch theo thời gian. Sự kết hợp của hai tín hiệu này cho phép bộ điều khiển vừa nhận biết độ lệch hiện tại, vừa dự đoán xu hướng dao động của mực nước.

Phương pháp giải mờ nào được ưu tiên lựa chọn trong nghiên cứu? Phương pháp điểm trọng tâm được ưu tiên áp dụng do tính toán dựa trên toàn bộ diện tích bao phủ của các tập mờ đầu ra. Phương pháp này mang lại tín hiệu điều khiển liên tục, mượt mà và giảm thiểu hiện tượng giật cục cho van điều tiết lưu lượng.

Thuật toán trong luận văn có thể triển khai lên phần cứng công nghiệp thực tế không? Hoàn toàn khả thi bằng cách chuyển đổi bảng luật hợp thành và giải thuật giải mờ sang mã lập trình trên các bộ điều khiển logic khả trình hoặc vi điều khiển. Hệ thống chỉ cần kết hợp cảm biến mức chuẩn 4 đến 20 miliampe và van điều khiển động cơ servo.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học đề ra:

• Thiết lập thành công mô hình toán học giải tích cho hệ thống bồn chứa nước đơn dựa trên các định luật thủy lực học.
• Thiết kế và đánh giá chi tiết đặc tính đáp ứng của bộ điều chỉnh vi tích phân tỉ lệ ở các chế độ làm việc khác nhau.
• Xây dựng bộ điều khiển logic mờ hoàn chỉnh với cấu trúc mờ hóa, hệ luật suy luận và thuật toán giải mờ tối ưu.
• Chứng minh hiệu quả vượt trội của điều khiển mờ khi giảm 35% thời gian quá độ và loại bỏ hoàn toàn độ quá điều chỉnh so với phương pháp cổ điển.
• Cung cấp giải pháp mô phỏng tin cậy trên MATLAB và Simulink làm tiền đề cho việc ứng dụng trên thiết bị thực.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp một phương pháp luận chuẩn xác trong việc ứng dụng logic mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến công nghiệp. Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo cần tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên mô hình phần cứng thực tế và mở rộng cho hệ thống đa bồn chứa liên hoàn. Độc giả và các đơn vị kỹ thuật quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình toán học và cấu trúc bộ điều khiển này để tối ưu hóa quy trình tự động hóa tại doanh nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.