Đề tài Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I

iện cho cuộn dây KMT của nó lại quay theo chiều đóng van lại ” lúc này công tắc an toàn được tiếp lại” làm cho biến trở R quay theo đưa tín hiệu điện trở tới bộ biến đổi HΠP-1M biến đổi thành dòng đưa tới đồng hồ B12 chỉ thị độ đóng mở của van, điều chỉnh bao nhiêu %. Khi ta bỏ tay không ấn nút (M) nữa thì tiếp điểm 1; 31 nhả ra động cơ mất điện dừng lại. Khi ấn nút “Б”, ấn nút mở van, thì chân số 1-32 tiếp lại thông qua tiếp điểm 1-2 của công tắc hành trình van SQ1 và tiếp điểm thường đóng KMT, dẫn cuộn dây KMC có điện tác động đóng các tiếp điểm đóng KMC của khởi động từ ΠME-211 lại cấp điện cho động cơ quay theo chiều mở van. Lúc này biến trở R quay theo đưa tín hiệu điện trở về bộ biến đổi HΠP-1M biến đổi thành dòng từ 0-5mA đưa ra đồng hồ B12 chỉ thị độ mở của van. Khi ta bỏ tay ra thì tiếp điểm 1-32 nhả ra làm mất điện, động cơ dừng lại. Khi mạch bảo vệ mức nước đưa vào làm việc. Vì một lý do nào đó mức nước trên hai đồng hồ tăng hoặc giảm quá phạm vi cho phép ( -100 mm hay +100mm) thì mạch bảo vệ từ 2 đồng hồ trên tiếp lại thông qua khoá và con nối Rơle KL16 có điện áp làm tiếp. Các tiếp điểm thường mở 5; 6 của nó đóng lại cấp điện cho Rơle KL1, nhả tiếp điểm thường đóng 1; 2 của KL1 ra dẫn đến mạch tự động mất điện đồng thời đóng tiếp điểm thường mở KL1 (7; 8) lại thông qua công tắc hành trình van SQ3 tiếp điểm 10; 12 cấp điện cho cuộn dây KLT tác động đóng các tiếp điểm của khởi động từ ΠME-211 cấp điện cho động cơ quay đóng van lại. Khối hợp tải B21 Nhiệm vụ. Tải của khối điều chỉnh Rơle P21 mang tính thuần trở vì vậy khi tải mang tính cảm kháng người ta phải mắc thêm bộ phối hợp trở kháng B21. Khi mang tính cảm kháng ở cuối nửa chu kỳ mở Transtor của khối điều chỉnh Rơle P2, điện áp anốt của Transtor giảm dần về “0” Transtor được khoá lại. Song do tính chất cảm kháng của tải dòng điện tải xuất hiện các sức điện động tự cảm phát sinh từ tải. Để bảo đảm khoá Transtor đúng lúc trong B21 được bố trí mạch R,C mắc song song với tải để triệt tiêu dòng tự cảm của tải khoá Transtor của P21 đúng lúc đảm bảo chất lượng điều chỉnh theo yêu cầu. Д2 Д1 Д3 Д4 Д7 Д6 Д8 Д5 Sơ đồ khối hợp tải B21. Nguyên lý làm việc của khối hợp tải. Khối B21 gồm 3 kênh độc lập với nhau mỗi kênh đầu vào và đầu ra riêng rẽ các điốt Д1 và Д2 dùng để loại trừ các tác động ngược biến áp nạp cho tụ C1 và C2 đến mạch ra của khối điều chỉnh P21. Tụ C1 là phần tử quan trọng để khoá chắc chắn Transtor của P21. Điện trở R1 và R2 được tác dụng khi thành phần điện trở của tải mang tính cảm kháng. Khi Rm ≤ 120W nó cho phép điện áp ra của B21 gần bằng điện áp vào đồng thời khoá Transtor của P21. Khi Rm ≤ 14 W và khi mất tín hiệu điều khiển R1 và R2 sẽ nối ngắn mạch. Điốt Д5 và Д6 chống lại quá trình dao động trong tải khi cắt mạch của các Transtor của P21 đảm bảo đặc tính động của bộ điều chỉnh. Điốt Д3, Д4 và ổn áp Д6 tạo ra mạch giải phóng năng lượng tự cảm của tải ở thời điểm P12 ngắn tín hiệu. Đồng thời hạn chế bước điện áp tự cảm trên các Transtor của P21 ngăn ngừa hiện tượng tự mở lại của chúng. Khối hợp tải B21 được sử dụng trong các bộ điều khiển tự động sử dụng khởi động từ (ME hoặc khối Rơle cơ khí, khi sử dụng trực tiếp tín hiệu điều khiển của P21. Máy phát xung ( Bộ chuyển đổi tín hiệu không điện ra tín hiệu điện) Các máy phát xung được sử dụng trong các bộ điều chỉnh có nhiệm vụ cảm nhận các tín hiệu không điện như áp suất, lưu lượng, môi chất khí lỏng chảy, mức chất lỏng Chuyển đổi các tín hiệu đó thành tín hiệu điện dưới dạng dòng quy chuẩn. Ở nhà máy điện Phả Lại I sử dụng các loại máy phát xung như: ДMЄ- đát trích đo mức nước, ДMЄ-P đát trích đo lưu lượng. Tín hiệu của các đát trích đều đưa ra tín hiệu quy chuẩn 0÷5mA cấp cho khối tự động. Tất cả các máy phát xung đều làm việc theo nguyên tắc đo chênh áp. I = f(). BC 1 2 3 Tín hiệu ra BC : Bộ cảm biến . 1: Cầu đo lường. 2: Khối khuyếch đại. 3: Nguồn cấp. Công dụng của đát trích. Nhiệm vụ: Đát trích là một trong những thiết bị quan trọng trong bộ tự động điều chỉnh nó có nhiệm vụ cảm biến thông số điều chỉnh chuyển đổi thành tín hiệu dưới dạng dòng điện quy chuẩn 0÷5mA đưa về các bộ tự động điều khiển. Nguyên lý làm việc: Thông số đo được biến đổi bởi phần tử nhậy cảm thành độ dịch chuyển thẳng của nam châm vĩnh cửu tạo nên tác động điều khiển dưới dạng từ thông làm mất cân bằng cầu từ trường. Lúc này mất tín hiệu ở vai cầu kia dưới dạng điện áp để đi điều khiển tín hiệu ra của bộ khuyếch đại đưa thẳng đến đầu ra, đồng thời mạch phản hồi ngược tạo ra từ thông bù với từ thông điều khiển. Sơ đồ đầu điện bộ chuyển đổi. Thành phần cơ bản của mạch khuyếch đại là vi mạch bán dẫn để khuyếch đại tín hiệu từ cầu từ trường đưa về và biến đổi nó thành tín hiệu điện có dòng quy chuẩn từ 0-5mA tỷ lệ với đầu vào là tín hiệu chênh áp cần đo. CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ HAI VÒNG TRÊN CASCAD 3.1. CƠ SỞ PHÂN TÍCH HỆ TỰ ĐỘNG Trong phần này trình bầy một số khái niệm và các phương pháp mới đề xuất để giải các bài toán phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển quá trình công nghệ với các đối tượng bất định. Tiêu chuẩn ổn định "Parabol" Qui tắc “Parabol” kiểm tra sự ổn định của hệ tự động. Giả sử WP(jw) là đặc tính tần số của hệ tự động trong trạng thái hở: 2 3 P jQ -1 P = Q2-1 1’ I II III IV 1 Các vị trí có thể của đặc tính tần số hệ hở tương quan với điểm (-1;j 0). Ta dựng trên hệ toạ độ này một đường parabol đối xứng qua trục thực và có gốc là điểm (-1;j0). Phương trình của parabol này có dạng P=Q2+1. Theo chiều tăng tần số từ 0 đền vô cùng (w=0®¥) ta gọi điểm cắt của đặc tính tần số hệ hở với nhánh dương của parabol (Q <0) là “điểm cắt trong”, nếu sự cắt xảy ra theo hướng đi vào phía trong parabol, trái lại là “điểm cắt ngoài”. “Tiêu chuẩn Parabol 1”: Điều kiện cần và đủ để hệ tự động kín ổn định là hiệu giữa số “điểm cắt ngoài” và số “điểm cắt trong” của đặc tính tần số hệ hở với nửa dương parabol bằng l/2, trong đó l là số nghiệm phải (nghiệm có phần thực dương) của phương trình đặc tính của hệ thống hở. Trong thực tế hầu hết các hệ thống điều khiển ở trạng thái hở là những hệ ổn định. Khi đó ta có định lý thuận lợi hơn như sau: “Tiêu chuẩn Parabol 2”: Điều kiện cần và đủ để hệ tự động kín ổn định nhận được từ một hệ hở ổn định là số “điểm cắt trong” và số “điểm cắt ngoài” của đặc tính tần số hệ hở với nhánh parabol dương bằng nhau. Các chỉ tiêu ổn định phát biểu trên đây ứng dụng thuận tiện cho các hệ thống có bậc phi tĩnh không vượt quá 3. Đặc tính tần số hệ hở trong trường hợp một chiều hay đặc tính định thức đối với hệ nhiều chiều có thể bắt nguồn từ vô cùng trong bất kỳ góc phần tử nào của mặt phẳng toạ độ. Đa số các hệ thống điều khiển tự động có trong thực tế đều thoả mãn điều kiện vừa nói trên đây. Tiêu chuẩn parabol có ứng dụng rộng rãi để kiểm tra ổn định và đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống trên máy tính điện tử trong chế độ tính toán tự động. Chỉ số “dao động mềm” Sự cần thiết của khái niệm “dao động mềm”nảy ra do một điều bế tắc trong lý thuyết tính toán hiệu chỉnh các hệ thống tự động. Thật vậy, phương pháp tính toán hiệu chỉnh theo độ dao động (theo nghĩa kinh điển) cho trước của hệ thống không ứng dụng được đối với các trường hợp đối tượng có trễ vận tải vì khi tần số tăng đến vô cùng: (w=0®¥), mô dun đặc tính tần số mở rộng của hệ hở (Wp(-mw+jw) đối với hệ một chiều, D(-mw+jw) đối với hệ nhiều chiều) tiến tới vô cùng do sự có mặt của thừa số emtw®¥ Kết quả là đặc tính tần số mở rộng của hệ hở có thể bao điểm mốc ổn định (h.25, đường cong số 1) một số tuỳ ý lần. Do đó theo tiêu chuẩn Nyquist không khẳng định được điều gì về sự đảm bảo độ dự trữ ổn định cho trước đối với hệ kín. Điều đó dẫn đến sự vô căn cứ của nhiều phương pháp hiệu chỉnh hiện nay dựa trên cơ sở khái niệm độ dao động theo nghĩa kinh điển. Về thực tiễn, chúng hầu như bất khả dụng đối với các hệ phức tạp. Có thể khắc phục những khó khăn nói trên, nếu cho độ dao động của hệ thống thay đổi phụ thuộc vào tần số theo quan hệ sau: trong đó m0 – độ dao động theo nghĩa kinh điển (là hằng số hay gọi là “độ dao động cứng”); w - tần số; t - trễ vận tải lớn nhất của các đối tượng; a - hệ số mềm. Đại lượng mM gọi là “độ dao động mềm” ký hiệu là MCK, còn đặc tính tần số nhận được bằng cách thay s = -mMw+jw gọi là “đặc tính tần số mềm”. Đặc tính tần số mở rộng của hệ hở theo nghĩa kinh điểnvà theo nghĩa “độ dao động mềm”.Đã chỉ ra rằng đối với các đối tượng trễ trong thực tế các đặc tính tần số mềm của hệ thống hở: Wp(-mM+jw) đối với hệ 1 chiều, và D(-mM+jw) đối với hệ nhiều chiều, luôn luôn hội tụ tới một điểm hữu hạn nào đó trên trục thực (xem h.25, đường cong 2). Điều đó cho phép áp dụng tiêu chuẩn Nyquist hoặc tiêu chuẩn parabol để đánh giá ổn định một cách bình thường. Đồng thời cũng chỉ ra rằng hệ thống được hiệu chỉnh theo “độ dao động mềm” luôn luôn có độ ổn định nhỏ nhất bằng h≥m0/a Mỗi giá trị hệ số mềm khác nhau xác định một đường biên giới hạn nghiệm tương ứng trên mặt phẳng phức (h.26a), đồng thời cũng tương ứng với một đường biên giới hạn độ tắt dần của quá trình quá độ (h.26b). Trong luận án chỉ ra rằng đối với hầu hết các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp, chất lượng hệ thống hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thực tiễn nếu cho biên “dao động mềm” với các tham số như sau: m0=0,366; , trong đó: wkp – giới hạn trên của dải tần số công tác của hệ thống. Các đường giới hạn độ tắt dần quá trình quá độ của hệ thống tương ứng với những đường biên theo “độ dao động mềm” khác nhau. Hầu hết các hệ thống điều khiển tự động trong thực tế thoả mãn điều kiện sau: Điều kiện đủ để độ dự trữ ổn định của hệ thống hở bảo tồn cho hệ kín tương ứng là tung độ cực đại của các giao điểm giữa đặc tính tần số mềm của hệ hở (hay đặc tính định thức mềm của hệ nhiều chiều) với nhánh dương parabol nhỏ hơn hoặc bằng không, tức là QB≤0 (xem h.27). Xác định dự trữ ổn định hệ thống bằng cách xét tung độ các giao điểm của đặc tính hệ hở với nửa dương parabol. Công thức tính đặc tính thời gian. Để mở rộng khả năng đánh giá trực tiếp chất lượng của hệ thống được thiết kế với những điều kiện khác nhau và các loại nhiễu khác nhau, trong chương 5 tác giả đưa ra công thức tổng quát tính đặc tính thời gian của hệ thống: Ở đây y(t) – đặc tính thời gian với ảnh Laplaxơ Y(s); Y(s+jw)=Y(h,w)+ jQY(h,w)QY(h,w) – đặc tính tần số tổng quát của tín hiệu ra; s=h+jw ; h – hoành độ hội tụ, lớn hơn giá trị phần thực của các cực của hàm Y(s). PY(h,w) w w i w i+1 w N 0 Pi Pi+1 Đồ thị phần thực của đặc tính tần số tổng quát đầu ra của hệ thống. Giả sử chia đồ thị hàm PY(h,w) như trên hình 30. Có thể biến đổi công thức (36) sang dạng tổng đơn giản sau: , . Hoành độ hội tụ h không nên chọn quá lớn so với phần thực lớn nhất của các cực của ảnh Y(s). Đối với hệ ổn định, nếu đầu vào là xung bậc thang hoặc sóng hình sin thường có thể chọn h = 0,01÷0,5. Công thức này có độ chính xác cao, đòi hỏi khối lượng tính toán nhỏ so với các công thức đã biết trước đây. Ưu điểm trội hẳn của công thức này là khả dụng cho các trường hợp hệ ổn định, trung tính hay không ổn định với đầu vào có dạng bất kỳ. 3.2. NHẬN DẠNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG Mô hình đối tượng động học có thể cho dưới những dạng hàm truyền sau đây: , , trong đó s – biến số phức; ( t trễ vận tải của đối tượng; ai, bj (i= 0,,m, j= 1,n) – hệ số; l – bậc phi tĩnh; m, n – bậc đa thức tử số và mẫu số (m ≤ n+l); m=2k+m1; n=2r+n1; m1, n1 – số dư trong phép chia nguyên: m/2 và n/2. Sai số bình phương giữa mô hình và số liệu thực là: , trong đó A={t,a0,a1,a2,...,am, b1,b2,...,bn} – vector các tham số nhận dạng; PM(wi,A),Qi(wi,A) – phần thực và phần ảo của đặc tính phức của mô hình; Pi, Qi – phần thực và phần ảo của đặc tính phức của đối tượng nhận được tại tần số wi Hàm mục tiêu thường có độ khe rất sâu với lòng khe nhiều chiều. 3.3. LÝ THUYẾT ĐIỀU TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH BỀN VỮNG TỐI ƯU 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 khác phục hạn chế trên, năm 1999 PGS. TSKH. 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: Cấu trúc chất lượng cao. Xét hệ tuyến tính có sơ đồ cấu trúc điển hình như hình 3.1: y g R(s) O(s) L B(s) Hình 3.1: 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) = - 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) = = 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) º 1, thì đại lượng ra xẽ là y = g.1 + LB(s)[1-1] º 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: WK(s) = . 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. 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 y = 1 – e-2pm 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 ® ¥ (y ® 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.vthì 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) = . Hệ hở tương ứng là: WK(s) Ở đây, nếu K >1 thì hệ hở sẽ có cấu trúc không ổn định. Vậy, chỉ có thể K £ 1. 3.1.3. Cấu trúc bền vững chất lượng cao. Để cho hàm truyền của hệ thống có khả năng tiến tới 1 có nghĩa phải có K®1, q®0. Phương án tốt nhất, có thể cho K = 1, còn hằng số quán tính q chọn nhỏ nhất có thể. Từ đó, hàm truyền của hệ điều khiển bền vững chất lượng cao có dạng: WK(s),q>0,q®0. (1) Dạng (1) 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) ] –1WK(s) = , R(s) = WH(s)O(s) – 1 . (2) Thực thi bộ điều chỉnh bền vững cao. Các đối tượng điều khiển tuyến tính có mô hình tổng quát sau: O(s) = e – tsOPT(s), OPT(s) = . (3) Trong đó t - độ trễ vận tải; A(s), B(s) – các đa thức của s. Thay (3) vào (2) ta được: R(s) = . Trong đó K(s) = - gọi là khâu bù động học; ets – 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 ets phải đo được đại lượng vật lý trước khi nó sảy ra một khoảng thời gian t. 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 ets. Khi đó: (4) 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 (4) thực hiện dễ dàng. Tham số tối ưu của bộ điều chỉnh bền vững cao. Với luật điều chỉnh (4), tham số duy nhất cần xác định là hệ số quán tính q 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 (t>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 (3) hàm truyền của hệ hở có dạng: . (5) Thay s = - mw + jw, trong đó m là giá trị cho trước; w - tần số; j – đơn vị số ảo, ta nhận được đặc tính tần số mở rộng: (6) Công thức (1.24) cho ta thấy, nếu m = const >0, thì với t >0 biểu thức (6) sẽ là hàm phân kỳ vì ®¥. Do đó, đặc tính tần số mở rộng (6) 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 etmw®0 khi tần số w ®¥. 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): , 0£ a £ t. Trong đó: m0 – giá trị đầu (ở tần số w = 0) của CMD; a - hệ số mềm hoá; t - độ trễ vận tải của đối tượng. Với m là CDM, thì hàm WH( -mw +jw) gọi là “đặc tính mềm” (ĐTM). Theo định nghĩa, chỉ số dao động mềm xác định theo công thức: , trong đó hàm mềm hóa: . Giả sử si = -bi + jwi 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 = -bi /wi. Ta có thể viết si = -miw + jwi. Nếu các nghiệm của đa thức đặc tính có chỉ số dao động không nhỏ hơn m0>0, có nghĩa là mi ³ m0. Ta vẽ trên mặt phẳng nghiệm (h. 22) đường gấp khúc AOB tạo với nửa trục thực âm hai góc đối xứng g sao cho ctgg = m0. Hiển nhiên rằng si phải nằm trong ÐAOB, vì -bi /wi ³ ctgg. 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 = -m0w + jw. Hình 1.11. Mặt phẳng nghiệm và các đường giới hạn nghiệm khác nhau. jw b m0 f(w,a) m1 f(w,a) M M1 A N N1 O B g x si -bi wi 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 w ®¥. Theo yêu cầu đó, chỉ số dao động để tạo đường biên, phải giảm theo tần số theo qui luật: , , trong đó, f(a,w) - 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(-m0w + jw) của hệ hở tiến tới vô hạn, khi w ® ¥. Do đó, đã làm mất hiệu lực tiêu chuẩn Nyquist để 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(-mw + jw). 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(-mw + jw) 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 , 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(-mw + jw) = O(-mw + jw) R(-mw + jw) không bao điểm (-1,j0). 3.3.4.1. 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(-mw + jw) 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). 0 -1 jQ P H(-mw + jw) Hình 1.12. Đặc tính mềm của hệ hở với hàm truyền Dễ thấy rằng đặc tính mềm nói trên có biên độ và fa đều đơn điệu giảm theo w . Do vậy, để đảm bảo đặc tính mềm đi qua mà không bao điểm (–1,j0), phải thỏa mãn điều kiện: ; . Rút tw 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: , (7) 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: qmin @ 1,203t . Thay giá trị này vào bộ điều chỉnh tối ưu: . (8) Với đối tượng bất định. Hình 1.13. Mô hình đối tượng bất định t y(t) 2 1 3 b, O(s) |M(s)| RE Im V(s) ui vi uiq viq j a, Nếu đối tượng biến thiên tuỳ ý trong khoảng nào đó sẽ lam 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 q sao cho đường bao đó cắt trục thực xa nhất về bên trái tại điểm (-1,j0). 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: D(s) = ½M(s)½rejj. Trong đó: O(s) – hàm truyền cơ sở; D(s) – thành phần biến thiên; ½M(s)½ - hàm biên độ của phần bất định; r Î[0¸1] – bán kính bất định; j Î[0¸ - 2p] – fa bất định. Ta có hàm truyền bất định của hệ hở là: H(s) = R(s)[O(s) + ½M(s)½rejj] = R(s)O(s) + R(s)½M(s)½rejj = WH(s) +½R(s)½ejj½M(s)½rejj = WH(s) + ½R(s)M(s)½rej(jr+j). H(s) = WH(s) + ½RM(s)½rejj, RM(s) = R(s)M(s). Trong đó, WH(s) = ; f = jr +j Î[jr ¸ jr - 2p]. Thay s = - mw + jw và dùng cách viết (m,jw) Û (-mw + jw), ta được ĐTM bất định: H(m,jw) = WH(m,jw) + ½RM(m,jw)½rejf. (9) Tập hợp các đường (1.27) tạo thành một dải bất định với tâm là ĐTM cơ sở. Ký hiệu W1(s) = , ta có WH = . RM(s) = R(s)M(s) = , M1(s) = . Đưa kết quả này vào biểu thức (1.27), ta được: Trong đó: W1(m, jw) =P1 + jQ1 = P1(m, w) + jQ1(m, w); r1=½M1(m, jw)½= r1(m,w) (10) Tại điểm mà ĐTM bất định cắt trục thực, thì phần ảo của nó bắn không nên: = Q1 + r1rsinf = 0 Þ singf = , cosf = ± Thay biểu thức cosf vào phần thực của ĐTM trên và rút gọn, ta được: . Để tập các ĐTM bất định của hệ hở chỉ cắt trục thực về bên phải điểm (-1,j0), thì ³1 phải thoã mãn đối với trường hợp xấu nhất, khi đạt cực tiểu. Khi đó, trước biểu thức căn phải là dấu trừ và bán kính bất định phải đạt tối đa: r = 1. Vậy: ³ 1; q³ - qmin = (11) Gỉa sử, tập hợp các đối tượng bất định có chỉ số dao động không tồi hơn CDM cho trước. Khi đó, giá trị qmin xác định theo (11) 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 (11) xác định biểu thức căn có nghĩa và có thể xác định bằng phương pháp quét theo biến tần số. 3.4. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH 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.. Trong lúc 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 đem đến lời giải đơn giản mà có tính hiệu quả cao. Dưới đây sẽ trình bày phương pháp phân tích hệ thống để tổng hợp hệ thống điều khiển cho hệ hai tầng dựa trên quan điểm bền vững tối ưu chất lượng cao. Giả sử ta có một hệ thống điều khiển hai tầng có cấu trúc như dưới đây, trong đó; l - tổ hợp tác động nhiễu; y – đáp ứng đầu ra của hệ thống; O1(s), O2(s), L(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 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển hai vòng Vấn đề đặt ra là tổng hợp hai bộ 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 trênh 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 xấp xỉ 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: y2 - g2 R2(s) O2(s) Sơ đồ điều chỉnh vòng trong - y1 g1 R1(s) O1(s) l L(s) Sơ đồ điều chỉnh vòng ngoài 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) = . Suy ra: R(s) = .OPT(s)-1. (3.1) Trong đó: O(s) = e-ts.OPT(s): Hàm truyền của đối tượng. OPT(s): Phần hàm truyền không có trễ của đối tượng. e-ts: Hàm truyền phần trễ thuần tuý của đối tượng t: Thời gian trễ của đối tượng; R(s): Hàm truyền của của bộ điều chỉnh. H(s): Hàm truyền của của hệ hở; q: Hằng số quán tính của hệ điều chỉnh tối ưu, thoã mãn q>0 và q càng nhỏ càng tốt, để dảm bảo độ tắt dần của hệ y > 0,9, thì hằng số quán tính tối ưu có thể tính theo công thức: qmin = . (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) = .O1PT(s)-1. Để đảm bảo ổn định đối với bộ điều chỉnh vòng ngoài chọn m1 = 0,367; y=0,9 thì ta có q1 = 1,023t1. Bộ điều chỉnh vòng ngoài trở thành: R1(s) = .O1PT(s)-1. Xét bộ điều chỉnh vòng trong: Theo công thức (3.2) ta có: R2(s) = .O2PT(s)-1. Đối với bộ điều chỉnh vòng trong ta cần tăng tính dự trữ ổn định của hệ thống đảm bảo cho y > 0,9 ta chọn m2 = 0,7. Khi đó theo công thức (3.2) ta có: q2 = = 2,387t. Khi đó ta có: R2(s) = O2PT(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. Xét sơ đồ điều khiển một vòng như sau: Sơ đồ điều khiển một vòng Trong đó: O(s), L(s) là hàm truyền của đối tượng theo kênh điều khiển và kênh nhiễu; G – tín hiệu đặt đầu vào; y – đáp ứng tín hiệu ra; L - tổ hợp tác động nhiễu; Bây giờ bài toán trở về với bài toán tổng hợp bộ điều khiển một vòng quen thuộc. Khi đó bộ điều chỉnh có dạng: . Qua cấu trúc của bộ điều chỉnh ta thấy rằng mỗi bộ điều chỉnh có một tham số duy nhất là q, phải xác định q sao cho hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định tức là đặc tính mềm của hệ hở không bao điểm (-1,j0). 3.5. TỔNG HỢP BỘ KHỬ NHIỄU. Ta xét sơ đồ điều chỉnh có thêm khâu khử nhiễu được thể hiện dưới hình sau: - Theo tài liệu [5], thì bộ khử tuyệt đối (tức là với nhiễu L bất kỳ xuất hiện thì luôn luôn yL(t) º 0) có dạng: Trong đó: C(s): Bộ khử nhiễu. B(s): Hàm truyền theo kênh nhiễu. R(s): Hàm truyền của bộ điều chỉnh 1,2. O(s): Hàm truyền của đối tượng 1,2. t: Thời gian trễ của đối tượng theo kênh điều khiển. tD: 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 bằng cách hạ bậc. 3.6. TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG Bài toán tổng hợp hệ Robust là xác định cấu trúc và các tham số của khối điều khiến sao cho hệ thống có một dự trữ ổn định cho trước đối với một tập các đối tượng bất định, còn chất lượng của hệ thống đạt giá trị tối ưu. Bài toán này chia thành bài toán tổng hợp cấu trúc bộ điều chỉnh và bài toán tối ưu hoá hệ thống. Bái toán thứ hai đồng thời có tên gọi là bài toán hiệu chỉnh tối ưu gồm hai giai đoạn: giai đoạn Cơ sở và giai đoạn Robust. Giai đoạn hiệu chỉnh cơ sở Trong giai đoạn này xác định các tham số thực tế kỹ thuật của hệ thống sao cho chỉ tiêu chất lượng của nó đạt giá trị tối ưu, còn dự trữ ổn định hệ thống đối với cơ sở không nhỏ hơn giá trị cho trước. Dạng bài toán tối ưu hoá này đã dẫn trong các hệ thức (5)-(7). Nếu cho dự trữ ổn định theo chỉ số dao động mềm thì xác định: , Trong đó Qin(C) là tung độ của “điểm cắt trong” thứ i giữa đặc tính tần số mềm của hệ hở và nửa dương Parabol. Đặc tính tần số mềm là đặc tính tần số WP(-mzw+jw) của hệ hở một chiều hay đặc tính định thức D(-mzw+jw) của hệ nhiều chiều, mz - độ dao động mềm, là hàm tần số : Mz =mz(w) =m0; m0 =0,367; a =0,1t, Trong đó : t - trễ vận tải lớn nhất của đối tượng. Từ quan hệ giàng buộc (6) theo điều kiện đảm bảo dự trữ ổn định cho trước, thiết lập hàm phạt: từ (7) sau khi thay ci = xi2 + cimin, ( i =1,2,..,k. đảm bảo điều kiện chặng dưới đúng trong mọi trường hợp) nhận được điều kiện tương đương đối với giới hạn trên : hi(xi) = xi2 + cimin - cimax £ 0 , (i =1,2,..,k). Suy ra hàm phạt tương ứng là : , X ={x1,x2,...,xk} – hàm mục tiêu mới, ci = xi2 + cimin, ( i =1,2,..,k). Hàm mục tiêu tối ưu hoá hiệu chỉnh cơ sở là : , trong đó, pM, pC – hệ số phạt thường chọn trong khoảng : 10¸106. Hàm mục tiêu trên nói chung là một hàm giải tích ẩn, vì hàm chỉ tiêu I(C) và hàm g(C), thường chỉ xác định bằng phương pháp số. Mặt khác hàm mục tiêu trên không chỉ khả vi liên tục và thường có độ khe lớn. Quy trình hiệu chỉnh hệ thống tự động gồm ba bước sau: Hiệu chỉnh Cơ sở. Dùng thuật toán “Vượt khe” để tối ưu hoá hàm mục tiêu từ một điểm xuất phát nào đó cho đến khi nhận được lời giải tối ưu hoặc lời giải chấp nhận được nào đó trong miền ổn định hệ thống. Tiếp tục tối ưu hoá các tham số hệ thống với trọng số khác 0 theo các kênh tương ứng. Tiếp tục lặp lại quá trình trên. Chỉ tiêu tối ưu I(C) dễ dàng xác định dựa theo sơ đồ cấu trúc của mỗi hệ cụ thể. Đối với hệ có cấu trúc tầng: z y Fn Ln F1 L1 O1 Rn K1 R1 On Kn - // A l1 ln - - Sơ đồ cấu trúc hệ điểu khiển nhiều tầng Đặc tính mềm của hệ điều khiển tẩng hở với các đối tượng bất định hữu hạn Nếu cho dự trữ ổn định Robust theo độ dao động mềm của hệ thống thì để thiết lập điều kiện xác định đặc tính tần số mềm xấu nhất của hệ thống là: , trong đó: (-mz+jw)«(mz,jw); mz – chỉ số dao động mềm cho trước; xH – vector tham số xấu nhất của các đối tượng biến thiên. Đặc tính mềm suy từ đặc tính tần số biến thiên là: với điều kiện x thoả mãn đối với mỗi tần số, khi đặt vào những hàm tương ứng từ các hệ thức: P’(m) + jQ’(m) =, u(x) + + jv(x) = Wp(m,, jw, C,x) - ) - Wp(m, , jw, C). trong đó Wp(m,jw,C) là đặc tính cơ sở; m = mz(w). 3.7. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG Chất lượng điều chỉnh của một hệ thống là tập hợp các chỉ tiêu đánh giá về mặt định lượng sự tốt hay xấu của quá trình điều chỉnh. Thông thường để đánh giá chất lượng điều chỉnh người ta thường dùng hai loại chỉ tiêu chất lượng, chỉ tiêu trực tiếp và chỉ tiêu tổng hợp. Chỉ tiêu trực tiếp bao gồm : Sơ đồ để đánh giá chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh theo chỉ tiêu trực tiếp. T dc h1 h2 D h(¥) t h(t) thời gian điều chỉnh Tđc: khoảng thời gian ngắng nhất mà độ sai lệch của đặc tính quá độ so với chế độ xác lập d <= 0,05. Độ sai lệch động cực đại, thường là biên độ sai lệch D (hình trên) hệ số tăt dần Y = = 1- e-mp, đánh giá độ tắt đần của quá trình quá độ. Ba chỉ tiêu trên được xác định trực tiếp trên các đồ thị vì vậy chúng thường được dùng để kiểm tra lại hệ thống sau khi đã tổng hợp xong. Các chỉ tiêu mang tính tổng hợp Đánh giá chất lượng điều chỉnh theo chỉ tiêu gián tiếp h(t) T dc h1 D h2 h(¥) Chỉ tiêu tích phân: nếu gọi e(t) =y(t)-z(t) là sai lệch điều chỉnh khi đó chỉ tiêu tích phân được xác định là tích phân của sai số điều chỉnh theo thời gian (diện tích phần gạch chéo ). J(t) = Nhược điểm, với quá trình quá độ có dao động chỉ tiêu này không áp dụng được các diện tích trái dấu sẽ triệt tiêu J(t) = 0 nhưng sai số điều chỉnh vẫn tồn tại với giá trị lớn. Để khắc phục nhược điểm trên có thể thay bằng chỉ tiêu tích phân tuyệt đối: J(t) = Nhược điểm của chỉ tiêu này là có tính giải tích kém, khó khăn trong việc tính toán Chỉ tiêu tích phân bình phương : J(t) = Chỉ tiêu tích phân mở rộng : J(t) = Chỉ tiêu này dự báo được xu hướng ổn định tuy nhiên vì tính phức tạp nên ít được sử dụng. Trong các chỉ tiêu trên, chỉ tiêu tích phân sai số bình phương khắc phục được nhược điểm nêu trên vì thế được sử dụng rộng rãi và cũng là chỉ tiêu cơ bản dùng trong CASCAD. 3.8. MÔ TẢ BỘ CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG “CASCAD” Bộ chương trình ứng dụng “CASCAD” lập trên cơ sở các kết quả lý thuyết nêu trên. “CASCAD” cho phép nhận dạng và tối ưu hoá hệ thống điều khiển có cấu trúc tối đa 5 tầng như trên hình vẽ. Trong đó, dùng các ký hiệu sau: G – giá trị đặt hay tín hiệu điều khiển; Y – đại lượng ra. Đối với mỗi tầng thứ i (=1,2,,5) có: Li – xung động; Ni – nhiễu; Oi – đối tượng cơ sở; Ui – phần tử mà biên độ của nó xác định bán kính vòng tròn bất định của đối tượng theo mô hình; Di – khâu truyền xung động. Những khâu còn lại là những phần tử hiệu chỉnh được và tối ưu hoá được. Mỗi phần tử của hệ thống được mô tả bởi hàm truyền dạng với bậc tổng cộng của mẫu và tử thức của nó không vượt quá 15. Mỗi hệ cụ thể được thực kiện trên CASCAD bằng cách chỉ cập nhật những phần tử cần thiết của hệ thống tương ứng. Cấu trúc tối đa của hệ điều khiển tầng thực hiện trên CASCAD. Vào ra số liệu (1) Tính toán các đặc tính (3) Tính các hàm mục tiêu nhận dạng đối tượng hoặc tối ưu hoá (1) Tối ưu hoá “vượt khe”(6) Dựng các loại đồ thị (4) Hiện sơ đồ cấu trúc trên màn hình(1) Khối điều khiển tính toán Sơ đồ chức năng của “ CASCAD ” 3.8. SƠ LƯỢC VỀ CHƯƠNG TRÌNH CASCAD. Chương trình được lập bởi Viện sỹ, TSKH Nguyễn Văn Mạnh, đã Được hoàn thiện và thử nghiệm trong thời gian hàng chục năm. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình PASCAL rất gọn nhẹ, cài đặt không tốn nhiều bộ nhớ. Toàn bộ chương trình chỉ gói gọn trong 600 ¸ 700 kb. Đây là chương trình vạn năng cho phép : Nhận dạng mọi đối tượng công nghiệp từ số liệu thực nghiệm, biểu diễn đối tượng dưới dạng đồ thị biên độ tần số pha của hàm truyền đối tượng và đồ thị đặc tính quá độ theo thời gian. Cho phép mô phỏng hệ thống điều chỉnh công nghiệp, với đầy đủ độ phức tạp trên thực tế : nhiều vòng, nhiều chiều, đối tượng thay đổi... Chương trình CASCAD còn cho phép chúng ta phân tích độ ổn định, dự trữ ổn định, chất lượng điều chỉnh của hệ thống bất kỳ cho trước. Trên cơ sở nhận dạng đối tượng và mô phỏng hệ thống, chương trình cho phép tổng hợp bộ điều chỉnh mang tính bền vững cao. Trong trường hợp thực tế đã có sẵn bộ điều chỉnh ( như đối với luận án này ) chúng ta có thể dùng chương trình CASCAD để tối ưu hoá, hay nói cách khác xác định lại tham số của bộ điều chỉnh đang có sắn trong điều kiện đối tượng công nghệ đã biến đổi so với thiết kế ban đầu. Mọi kết quả tính toán thiết kế bằng CASCAD đều được thể hiện rất rõ ràng bằng đồ thị kèm theo. 3.9. TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HOÁ LẠI THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH CÓ SẴN TRONG CÔNG NGHIỆP BẰNG CHƯƠNG TRÌNH CASCAD. Chuẩn bị số liệu : Lấy các đường cong thực nghiệm gần đây nhất của đối tượng điều chỉnh, van, các thiết bị khác có tham gia vào hệ thống. Từ đường cong thực nghiệm đã cho lập bảng số liệu thực tế để đưa vào chương trình. 3.9.1. Khởi động chương trình Có thể khởi động từ màn hình WINDOWS, hay khởi động trong NC bằng cách bấm vào file : cascad.exe Khai báo hệ thống ban đầu Có thể nhập hệ thống vào từ đĩa hay bàn phím, trong trường hợp nếu chưa có hệ thống ta phải nhập từ bàn phím như sau : Bấm vào chữ K trên màn hình. Tiếp theo chọn số tầng của hệ n = 1, 2, 3, 4,5. Trong luận án ta chọn n =2 ( tức là hệ có 2 vòng ). Trên màn hình sẽ xuất hiện hệ hai vòng tổng quát. So hệ trên với hệ thống thực, đối tượng nào có trong thực tế ta sẽ đưa vào hệ thống. Chương trình sẽ cho cửa sổ giao diện hỏi ta có đưa đối tượng vào không, nếu có bấm Y, không bấm N. Sau khi đã bấm Y trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ đối thoại yêu cầu chúng ta cho biết các thông số của đối tượng như : + Loại ( Bấm M ) + Cấu trúc tham số ( Bấm S ) + Tham số đối tượng ( Bấm P ) Sau khi nhập đủ các số liệu của đối tượng ( ban đầu các tham số có thể cho bất kỳ sau đó nhận dạng lại ) chúng ta bấm ENTER để vào đối tượng. Quá trình trên lập lại cho đến khi vào hoàn chỉnh hệ thống. Đưa số liệu thực tế vào nhận dạng Quay về cửa sổ đối thoại chính ban đầu bấm vào chữ E. Tiếp theo bấm vào T để vào số liệu, sau đó vào số điểm của bảng số liệu Num. Sau khi vào số liệu và kiểm tra, nếu không có sai sót gì, ghi lại file số liệu với đuôi *.dat dùng để vẽ đồ thị đối tượng. Vẽ đương đặc tính pha của đối tượng Bấm vào G gọi chế độ đồ thị. Bấm cho m = 0. Bấm ^X( Ctrl + X ) để tìm file số liệu vừa ghi. Bấm vào C trong cửa sổ đang có để vẽ đường đặc tính pha của đối tượng. Bấm ^W ( Ctrl + W) để ghi lại đồ thị vừa vẽ. Bấm vào Quit để quay về cửa sổ chính. Nhận dạng đối tượng : Bấm vào I trong cửa sổ chính để tìm file vừa ghi đồ thị lại. Gán cho đối tượng cần nhận dạng một đối tượng nào đỏ trong hệ thống mà ta vừa đưa vào ( ví dụ O1,O2... ) Chọn các tham số mô hình dùng để nhận dạng ( mode, Structer, Parameter ) Đưa các số liệu ban đầu của mô hình ( bất kỳ ) Khai báo các tham số nào cần tối ưu các tham số nào cần giữ nguyên. Sau khi kết thúc bấm ENTER. Bấm O để chương trình nhận dạng đối tượng ( bằng phương pháp tối ưu hoá sai phương bình phương ) Kết thúc chương trình sẽ cho ta đối tượng vừa nhận dạng xong. Vào chế độ đồ thị gọi ^E và khai báo chỉ số của đối tượng vẽ lại đồ thị của đối tượng vừa được nhận dạng. Bấm ^I gọi đồ thị đối tượng thực và so sánh. Kết thúc bấm Quit để quay về cửa sổ chính với hệ thống đang khảo sát. Tối ưu hoá tham số bộ điều chỉnh R2 và R1. Vào O trong cửa số chính. Xác định đối tượng cần tối ưu ( R2, R1 ), đối tượng nào cần tối ưu thì ta đánh dấu vào. Tiếp theo phải khai báo lại cấu trúc và tham số ban đầu của phần điều chỉnh ( tiến hành tương tự như phần nhận dạng đối tượng ) Khai báo những tham số nào cần phải xác định, tham số nào giữ nguyên không đổi trong quá trình tối ưu. Khai báo các thủ tục khác trước khi tối ưu ( phần này trong chương trình tự động cho số liệu không phải thay đổi, như hệ số phạt, phương pháp tìm hướng tối ưu, bước tính sai phân ...) Tiến hành tối ưu Ra khỏi tối ưu bấm Quit để về cửa sổ chính. Vẽ đồ thị kiểm tra. Vào chế độ đồ thị bấm G. Kiểm tra đường đặc tính mềm ( nếu muốn thay đổi tỷ lệ bấm S ) Nếu hệ đã có dự trữ ổn định ( đường đặc tính mềm đi qua ( -1, -j 0)) dựng đồ thị. Kênh điều khiển G-Y ( bấm ^G ) Kênh nhiễu L-Y ( bấm ^L ) nếu muốn vẽ kênh trong khai báo k = 2 kênh ngoài k = 1. Trên cơ sở các đồ thị có được đánh giá chất lượng của hệ thống mà ta vừa tiến hành nhận dạng và tối ưu lại bộ điều chỉnh. CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG MỨC NƯƠC BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI I Phần trên ta đã phân tích một số cơ sở lý thuyết của chương trình “CASCAD”. Cũng qua đó ta thấy được sự bế tắc của việc giải bài toán tối ưu thông số điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh bằng các biện pháp khác nhau. Trong đó có nhiều nguyên nhân chủ quan cũng như do khách quan. Việc tính toán thông số điều chỉnh của các hệ thống điều chỉnh NMNĐ Phả Lại nói chung và hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi nói riêng không phải là trường hợp ngoại lệ. Điều đó có nghĩa là chất lượng điều chỉnh của quá trình qua độ sẽ không phải là tối ưu, thậm chí còn gây ra mất ổn định cho hệ thống. Trên bộ trương chình “CASCAD” được lập trình trên máy tính nên ưu điểm đầu tiên của nó là làm giảm tối thiểu của sự ảnh hưởng sai lệch do nguyên nhân chủ quan gây lên. Mặt khác “CASCAD” ra đời dựa trên những quan điểm đột phá về lý thuyết điều chỉnh tự động do chính tác giả đưa ra và đã được minh chứng bằng tính đúng đắn của nó. Do đó ta có thể sử dụng chương trình “CASCAD” như một chương trình chuẩn để đánh giá chất lượng điều chỉnh cũng như tính trong việc tính toán tối ưu hoá các hệ thống số điều chỉnh của một hệ thống điều chỉnh bất kỳ. Cụ thể là bộ điều chỉnh mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I. Với tác động thay đổi mức nước theo kênh G-Y thì bộ điều chỉnh thực tế ở nhà máy điều chỉnh là: - Biên độ dao động cực của tín hiệu ra - y(t) khi có sự thay đổi của khi gây nhiễu bằng nước :hmax =15.6 mm, hmin =5,7 - Thời gian điều chỉnh là t = 60 s. - Hệ số tăt dần 4.1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI I Như ta đã biết hệ thống điều chỉnh mức nước bao bao hơi là hệ thống điều chỉnh hai vòng ba xung. Quá trình điều khiển của hệ thống đã được miêu tả rất kỹ trong chương II. Trong chương này ta thực hiện tối ưu hoá các thông số của bộ điều chỉnh để đạt được chất lượng điều chỉnh cao nhất. Đó là các bộ điều chỉnh R1, R2, và bộ khử nhiễu C1. Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mức nước bao hơi. 4.2. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH BAO HƠI Nhiệm vụ của phần này là từ đồ thị đặc tính thực nghiệm hệ thống điều khiển mức nước bao hơi tìm ra được hàm truyền của đối tượng hay là tìm ra quan hệ toán học của đối tượng. Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi có hai đối tượng cần phải nhận dạng đó là van điều chỉnh cấp nước và đối tượng mức nước bao hơi. Từ đồ thị đặc tính của đối tượng mức nước bao hơi ta thấy đối tượng là một khâu tích phân có trễ có quán tính và không tự cân bằng có dạng hàm truyền là: W1(S) =. Trong đó ko : là hệ số khuyếch đại của hệ khâu. t : là thời gian trễ khi có xung tác động. To : hằng số thời gian. Dựa vào đồ thị thực nghiệm của đối tượng thấy t =1.25 s, To = 8.75 s, Còn hệ số khuyếch đại tính bằng cách kẻ tiếp tuyến với đồ thị và xác định theo công thức: ko ==1,545. Vậy ta có hàm truyền của đối tượng mức nước bao hơi là: O1(S) =. Hình 4.2 Đồ thị thực nghiệm đối của đối tượng mức nước bao hơi Từ đồ thị đặc tính của van tương đương ta có hàm truyền của van O2(S): O2(S) =. Ta có thể nhận dạng bằng CASCAD từ đặc tính thực nghiệm của đối tượng bằng cách rời rạc hoá các điểm từ đồ thị để chuyển thành bảng số liệu, sau đó nhập vào CASCAD và CASCAD sẽ nhận dạng. 4.3. TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI DÂY TRUYỀN I NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI Tối ưu hoá bộ điều chỉnh ứng với đối tương nhân dạng trên. Kích hoạt chương trình CASCAD vào cửa sổ chính nhập vào khâu từ bàn phím hoặc nhập vào từ đia file dữ liêu có dạng “.rbs”. Nhập hàm truyền của đối tượng O2(S), O1(S) theo sơ đồ khi không có nhiễu, sau đó Highrobust bộ điều chỉnh vòng trong trước băng cách copy hàm truyền của đối tượng O2(S) tới bộ điều chỉnh R2(S). Kích chuột vào bộ điều chỉnh R2(S) và chọn Highrobust. Sau đó tới bộ điều chỉnh vòng ngoài R1(S) cũng làm tương tự như vòng trong. Ta được các thông số của các khâu trong hệ thống điều chỉnh theo kênh G-Y. Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh mức nước mô phỏng trong “CASCAD” và các tham số của bộ điều chỉnh . Bằng CASCAD ta tìm được bộ điều chỉnh tối ưu tương ứng với hai đối tượng trên là: R1(S) =0,43.(1+8.75.S) R2(S) = Sau đó vào chế độ đồ thị vẽ đặc tính hở của hệ thống (G-Y) ta được hình sau. Hình 4.4 Đặc tính biên đồ pha của hệ hở theo kênh G-Y. Vẽ đặc tính biên độ pha của hệ hở với hai bộ điều chỉnh vừa tìm được vẽ trên CASCAD trên thể hiện trên Hinh 4.. Từ đồ thị ta thấy hai bộ điều chỉnh trên tương ứng với hai thông số điều chỉnh trên ta thấy hệ thống chưa ổn định ở một vùng tần số vì ta thấy đặc tính của hệ hở có một phần bao điểm (-1,j0). Do vậy ta phải tối ưu hoá hệ thông số của hai bộ điều chỉnh trên bằng CASCAD. Hình 4.5 Đặc tính thời gian và tần số của hệ kín theo kênh G-Y. Từ đặc tính thời gian và tần số ta thấy thời gian điều chỉnh t =37s và biên độ dao động max hmax =1,38 và biên độ dao động hmim = 1,02. Sau khi tối ưu hoá thông số hai bộ điều chỉnh trên ta được các thống số mới của bộ điều chỉnh và vẽ đồ thị đặc tính tần số của hệ hở như sau: Hình 4.6 Tham số của R1, R2 sau khi tối ưu Hình 4.7 Đặc tính tần số của hệ hở sau khi tối tưu hoá. Từ đồ thị đặc tính của hệ hở trên Hình 4.7 ta thấy hệ đồ thị đặc tính tần số của hệ hở đi qua điểm (-1,j0) ta thấy hệ đảm bảo độ ổn định và dự trữ ổn định ứng với bộ điều chỉnh với thông số mới sau: R1op(S) =0,276.(1+8,75.S) R2op(S) = Hìng 4.8 Đặc tính thời gian và tần số của hệ kín theo kênh sau khi tối ưu G-Y 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 = 1,085, h2max = 1,015. Với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng như sau: Độ tắt dần: Y = = 0,82 . Thời gian dập tắt nhiễu tđc £ 10 s. Độ sai lệch quá độ: Vậy bộ điều chỉnh đáp ứng chất lượng tốt hơn do giảm thiểu của sai số trong quá trình tính toán tham số điều chỉnh. Tổng hợp bộ khử nhiễu Ta vẽ đồ thị theo kênh khử nhiễu L-Y trên CASCAD ta được đồ thị sau: Hình 4.6 Đặc tính thời gian và tần số của hệ thống theo kênh nhiễu L1-Y Từ đồ thị ta thấy khi có nhiễu tác động ở đầu ra ta thấy nhiễu gây sai lệnh tín hiệu điều chỉnh rất lớn khoảng 3,6 và thời gian đạt được biên độ nhiễu này là 7s. Vì vậy ta phải tổng hợp bộ khử nhiễu để loại bỏ nhiễu ở đầu ra không cho chúng tác động tới tín hiệu điều chỉnh. Do đó sẽ tăng được chất lượng điều chỉnh. Từ sơ đồ cấu trúc Hình 4.1 và công thức Masson ta tìm hàm truyền của hệ thống theo kênh nhiễu. Để đảm bảo nhiễu không ảnh hưởng đến chất lượng điều chỉnh thì hàm truyền theo kênh khử nhiễu và theo kênh nhiễu phải dần bằng không. Tức là tín hiệu sau khi có bộ khử nhiễu là triệt tiêu tức là : = 0. Trong đó: Otd(S) = Từ các biểu thức trên ta suy ra : C1(S) = Thay số đơn giản hoá bậc ta tìm được bộ khử nhiễu là : C1(S)= Dựng đồ thị theo kênh nhiễu khi có bộ khử nhiễu Hình 4.7 Đồ thị đặc tính theo kênh nhiễu L-Y khi có bộ khử nhiễu C1(S). Từ đặc tính thời gian ta có: h1max = 0,018, h2max = 0.08. Với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng như sau: Độ tắt dần: Y £ 0,9 . Với độ lớn về biên độ trong kỹ thật thường lấy là 0,05, từ đồ thị đặc tính thời gian trên ta thấy biên độ lớn nhất Amax =0,018 <0,05 do vậy thời gian dập tắt nhiễu coi như bằng không. Sai số d <0,01 là rất nhỏ không đáng kể. Vậy bộ khử nhiễu đạt yêu cầu, do đó ta không cần phải tối ưu hoá thông số bộ khử nhiễu. Hình 4.8 Tham số của hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong cas cad. Vậy ta có hàm truyền của các khâu của hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I Qua đây ta thấy quá trình tối ưu bằng chương trình “CASCAD” cho kết bộ thông số tối ưu hơn nhiều và chính xác hơn so với các phương pháp tính toán tối ưu khác. KẾT LUẬN Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao là “Tối ưu hoá hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I ”. Đây là đề tài mang tính chất ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh hiện đại cho đối tượng thực tế nên đòi hỏi người thiết kế phải tìm hiểu đối tượng một cách tỉ mỉ, chính xác, trong khi tài liệu lại không có đủ... Tuy nhiên nhờ có sự hướng dẫn nhiệt tình của thấy giáo hướng dẫn và các thầy trong bộ môn “Hệ thống và tự động hoá quá trình nhiệt”, của bạn bè, cùng với sự cố gắng của bản thân em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Trong thời gian làm đồ án, em đã hoàn thành khối lượng công việc sau: Tìm hiểu các hệ thống điều chỉnh chính trong nhà máy nhiệt điện Phả Lại. Đi sâu nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi, các phần tử trong hệ thống điều khiển trong hệ thống điều khiển mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I. Phương pháp tính toán hiệu chỉnh hệ hai vòng trên CASCAD. Ứng dụng phương pháp tính toán hiệu chỉnh hệ hai vòng trên CASCAD để tính toán tối ưu hoá lại hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện Phả Lại I. Em xin chân thành ơn các thầy giáo Nguyễn Văn Mạnh đã trực tiếp hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong thời gian thực hiện và hoàn thành bản đồ án nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Nguyễn Văn Mạnh Lý thuyết điều chỉnh tự động hoá quá trình nhiệt ĐHBK- Hà Nội năm 1993. 2- Nguyễn Văn Mạnh Tổng hợp tối ưu hệ điều chỉnh tầng bền vững (Robust) tạp chí năng lượng nhiệt No-9/2000 tr 115-161. 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. N.V.Mạnh. Nhận dạng đối tượng trong hệ điều khiển nhiều vòng. Tạp chí KHCN nhiệt, 3/2006. Số 3, tr 19 – 22. 5- 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. 6- Giáo trình lò hơi tập I và tập II của tác giả Trương Du Nghĩa, Nguyễn Sĩ Mão xuất bản năm 1974. 7- Tài liệu kỹ thuật của nhà máy nhiệt điện Phả Lại I.