Xem mẫu
- 1
B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O
Đ I H C ĐÀ N NG
HÀ NGUYÊN HOÀNG
NG D NG ĐI U KHI N M PID CHO H TH NG TRUNG
HÒA Đ pH NƯ C MÍA C A NHÀ MÁY ĐƯ NG
Chuyên nghành: T Đ ng Hóa
Mã s : 60.52.60
TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T
Đà N ng - Năm 2012
- 2
Công trình ñư c hoàn thành t i
Đ I H C ĐÀ N NG
Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Nguy n Văn Minh Trí
Ph n bi n 1: PGS.TS. Nguy n H ng Anh
Ph n bi n 2: TS. Nguy n Anh Duy
Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m lu n văn th c sĩ k thu t
h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012
Có th tìm hi u lu n văn t i:
- Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng;
- Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
- 3
M Đ U
1. TÍNH C P THI T C A Đ TÀI
Đi u khi n ñ pH ñư c ng d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau
như công nghi p hóa ch t, sinh h c… Đ c ñi m c a quá trình ñi u
khi n ñ pH cho các quá trình công nghi p r t khác nhau, m c ñ phi
tuy n cao. Đ i v i các h th ng mà ñ u vào bi n ñ i theo th i gian,
yêu c u ñáp ng ñ u ra có ñ chính xác cao thì nhi m v ñi u khi n
r t ph c t p.
Xu t phát t tình hình th c t trên, qua tìm hi u nhi u ngu n
thông tin khác nhau, vi c áp d ng lý thuy t ñi u khi n hi n ñ i vào
th c t còn tương ñ i ít ñ c bi t là ñ i v i các ñ i tư ng phi tuy n,
trên cơ s ñó vi c xây d ng và ng d ng b ñi u khi n m PID ñ t
các yêu c u k thu t là hư ng nghiên c u c a lu n văn.
Đư c s t o ñi u ki n giúp ñ c a nhà trư ng, b môn T ñ ng
hóa và TS Nguy n Văn Minh Trí, trong khuôn kh chương trình ñào
t o sau ñ i h c c a Đ i h c Đà N ng, tôi l a ch n ñ tài t t nghi p là
“ ng d ng ñi u khi n M PID cho h th ng trung hòa ñ pH
nư c mía c a nhà máy ñư ng”.
2. M C ĐÍCH NGHIÊN C U
- Đánh giá ưu ñi m c a b ñi u khi n k t h p M - PID so v i b
ñi u khi n kinh ñi n trong ñi u khi n ñ pH
- Thi t k b ñi u khi n t ñ ng thay ñ i tham s ñ gi ñ pH ñ u
ra luôn n ñ nh theo m t giá tr ñ t cho trư c, trong ñ tài này, giá
tr c n n ñ nh n m trong ph m vi t 6.8~7.2 pH.
- 4
- Phát tri n h th ng ñi u khi n m - PID dùng vi ñi u khi n
Atmega32 ng d ng cho h th ng ñi u khi n ñ pH
3. Đ I TƯ NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U
Đ i tư ng nghiên c u:
Đ i tư ng nghiên c u c a ñ tài: H th ng ñi u khi n ñ pH c a
nhà máy ñư ng thu c Nhà máy Mía ñư ng – Nhi t ñi n Ayun Pa,
Huy n Ayun Pa, T nh Gia Lai
Ph m vi nghiên c u:
- Nghiên c u v n ñ v ñi u khi n ñ pH, ñi u khi n m , PID và
m PID
- Nghiên c u áp d ng ñi u khi n m PID v i ñ i tư ng có tính phi
tuy n
- Nghiên c u thi t k b ñi u khi n m PID trên n n t n vi ñi u
khi n Atmega32
- Xây d ng ph n m m ng d ng gi i thu t ñi u khi n M - PID
cho vi ñi u khi n Atmega32
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U
S d ng phương pháp nghiên c u lý thuy t, mô ph ng và th c
nghi m
- Phương pháp nghiên c u lý thuy t: Nghiên c u tài li u, giáo
trính, sách, báo vi t v các v n ñ :
+ Đ pH, ñi u khi n ñ pH trong các quá trình công nghi p
+ Đi u khi n m , PID, ch nh ñ nh tham s cho h th ng ñi u
khi n M PID
- 5
+ L p trình và thi t k m ch ñi n t , k thu t l p trình cho h
th ng ñi u khi n s
- Phương pháp nghiên c u mô ph ng: Nghiên c u mô ph ng h
th ng trên ph n m m Matlab - Simulink
- Phương pháp nghiên c u th c nghi m: Áp d ng các lý thuy t ñã
nghiên c u ñ xây d ng b ñi u ñi u khi n m PID cho h th ng
ñi u khi n ñ pH c a Nhà máy ñư ng – Nhi t ñi n Ayun Pa,
T nh Gia Lai
5. Ý NGHĨA KHOA H C VÀ TH C TI N Đ TÀI
Ý nghĩa khoa h c:
- K t qu nghiên c u c a ñ tài ñư c áp d ng ñ thi t k các b
ñi u khi n cho h th ng ñi u khi n ñ pH trong th c t v i ñ u
vào bi n thiên l n theo th i gian, tham s quá trình không bi t
chính xác.
- Vi c áp d ng ñi u khi n m PID vào các b ñi u khi n s gi i
quy t nhi u v n ñ v nh n d ng h th ng, h th ng có tính phi
tuy n cao.
Th c ti n ñ tài:
- Gi i quy t ñư c yêu c u bài toán ñi u khi n ñ i tư ng phi tuy n,
gi m công s c thi t k trong vi c l a ch n các tham s h th ng.
- Xây d ng b ñi u khi n v n hành th c t t i Nhà máy mía
ñư ng– nhi t ñi n Gia Lai.
6. B C C LU N VĂN
M Đ U
- 6
CHƯƠNG 1: ĐI U KHI N Đ pH
Gi i thi u và xây d ng mô hình h th ng ñi u khi n ñ pH
cho Nhà máy ñư ng.
CHƯƠNG 2: LÝ THUY T M , PID VÀ M PID
Gi i thi u lý thuy t ñi u khi n m , ñi u khi n PID và xây
d ng b ñi u khi n M - PID
CHƯƠNG 3: THI T K B ĐI U KHI N M - PID CHO H
TH NG ĐI U KHI N Đ pH
Thi t k b ñi u khi n PID và M - PID d a trên h th ng
xây d ng Chương 1
CHƯƠNG 4: MÔ PH NG VÀ NH N XÉT K T QU
Mô ph ng k t qu b ñi u khi n xây d ng Chương 3 trên
ph n m m Matlab-Simulink ñ ñánh giá ch t lư ng h th ng ñi u
khi n.
CHƯƠNG 5: THI T K B ĐI U KHI N M - PID TRÊN
N N T NG VI ĐI U KHI N ATMEGA 32
Gi i thi u ki n trúc và l p trình cho vi ñi u khi n AVR
ATMEGA 32 c a hãng Atmel. Xây d ng c u trúc ph n c ng, gi i
thu t ph n m m cho b ñi u khi n M - PID trên n n t ng vi ñi u
khi n ATMEGA 32.
K T LU N VÀ KI N NGH
PH L C
- 7
CHƯƠNG 1
ĐI U KHI N Đ pH
1.1. GI I THI U H TH NG ĐI U KHI N Đ pH
1.1.1. Gi i thi u h th ng ñi u khi n ñ pH c a nhà máy ñư ng
Nư c mía ép Khí SO2
1
Ca(OH)2
C
2 pH
Hình 1.1: H th ng trung hòa ñ pH nhà máy ñư ng
Nư c mía sau khi ñi qua thi t b gia nhi t, ñư c nâng nhi t ñ
lên kho ng 50÷60 0C và ñưa vào các kim phun trong thùng pha tr n s
1. V i các lưu lư ng khác nhau c a nư c mía h n h p qua các kim
phun s t o ra các áp su t chân không khác nhau hút khí SO2 t m t
ñư ng ng d n theo m t t l nh t ñ nh. Ph n ng sunhit hóa nư c mía
h n h p nâng ñ pH lên kho ng 4÷4.5.
Sau khi ñư c sunphit hóa, nư c mía và dung d ch ki m Ca(OH)2
dùng ñ trung hòa cùng ñư c ñưa vào trong m t ng d n ñ d n ñ n
thùng pha tr n th hai. Dư i tác d ng c a dòng ch y xoáy trong
thùng, ph n ng trung hòa x y ra. Đi u khi n ñ pH ñ u ra b ng cách
ñi u ch nh lư ng Ca(OH)2.
- 8
1.1.2. Hàm truy n h th ng trung hòa ñ pH
Quá trình trung hòa di n ra gi a axit m nh H2SO3 và Ca(OH)2
(1.1)
S thay ñ i ñư c mô t theo như bi u th c sau:
(1.2)
(1. 3)
N ng ñ cũng ph i tuân theo ph n ng ion sau:
(1.4)
H ng s ñi n ly kw c a nư c:
(1.5)
N ng ñ ion H+ quan h tương ng v i ñ pH, m i quan h này
còn ñư c th hi n trong thu t ng v sai l ch n ng ñ ion X:
(1.6)
K t h p v i bi u th c (1.4) cho ta k t qu :
(1.7)
Bi u th c mô t quá trình ñ ng h c có ñư c b ng cách tr (1.3)
cho (1.2) và s d ng công th c (1.7), k t qu là:
(1.9)
(1.10)
M i quan h gi a ñ pH và n ng ñ dung d ch ñư c th hi n qua
bi u th c:
(1.11)
- 9
H ng s th i gian quá trình τ là kho ng th i gian các ch t ph n
ng v i nhau trong thùng pha tr n cho ñ n khi ñư c ñưa ñ n ñ u ra:
(1.12)
Gi thuy t r ng dòng ch y ch t trung hòa nh hơn nhi u so v i
lư ng ch t c n trung hòa, ta có d ng tuy n tính quá trình trung hòa
[1]:
Trong ñó:
- V: Th tích c a thùng ph n ng (m3/h)
- CA: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch Ca(OH)2
- CB: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch nư c mía
- CO: N ng ñ ion hydrogen c a dung d ch ñ u ra
- qA: Lưu lư ng dung d ch Ca(OH)2
- qB: Lưu lư ng dung d ch nư c mía
- Qout: Lưu lư ng h n h p dung d ch sau trung hòa
T ñây ta có th rút ra hàm truy n d ng tuy n tính c a h th ng
trung hòa ñ pH c a nhà máy ñư ng:
(1.13)
Xét ñ n nh hư ng c a th i gian tr do quá trình (1.13) tr thành:
(1.14)
1.1.3. Tính phi tuy n
1.1.4. Phương pháp ñi u khi n h th ng trung hòa ñ pH
- 10
Dùng khai tri n Macloranh hàm , ta ñư c:
T (1.14) ta có:
Trong ñó: uoff – là giá tr ñ pH ban ñ u c a dung d ch
nhi u quá trình bao g m thay ñ i lưu lư ng dung
d ch nư c mía
Th c hi n phép bi n ñ i ta ñư c phương trình tr ng thái c a h
th ng:
Hàm truy n khâu trung hòa ñ pH ñư c bi u di n dư i d ng
phương trình tr ng thái. Vì K, τ, uoff thay ñ i theo th i gian, ta có th
ñ t:
(1.17)
Trong ñó f, b, d là phi tuy n và không xác ñ nh rõ.
1.2. ĐO LƯ NG Đ pH
1.2.1. C u t o c m bi n ño ñ pH
1.2.2. nh hư ng c a nhi t ñ ñ n ñ pH
- 11
CHƯƠNG 2
LÝ THUY T M , PID VÀ M PID
2.1.LÝ THUY T M
2.1.1. T ng quan ñi u khi n m
2.1.2. B ñi u khi n m
2.1.2.1. C u trúc b ñi u khi n m
2.1.2.2. Nguyên t c t ng h p b ñi u khi n m
2.1.3. Xây d ng b ñi u khi n m
2.1.3.1. Mô hình m Mamdami
2.1.3.2. Mô hình m Sugeno
2.1.4. Các bư c thi t k b ñi u khi n m
2.1.4.1. Theo mô hình m Mamdami
2.1.4.2. Theo mô hình m Sugeno
2.2. LÝ THUY T ĐI U KHI N PID
2.2.1. C u trúc b ñi u khi n PID kinh ñi n
2.2.2. C u trúc b ñi u khi n PID s
2.2.3. Ch nh ñ nh tham s b ñi u khi n PID theo Ziegler-Nichols
2.2.3.1. Phương pháp Ziegler-Nichols th nh t
2.2.3.2. Phương pháp Ziegler-Nichols th hai
2.3. B ĐI U KHI N M PID
2.3.1 D n nh p
2.3.2. C u trúc b ñi u khi n M PID
- 12
Sơ ñ kh i c a h th ng ñi u khi n M PID thi t k ñư c th hi n
như trên hình 2.15:
d(t)
KI
f
x1d y
e Đ i
K
tư ng
-
K
σ Fuzzy control
Hình 2.15: Sơ ñ kh i b ñi u khi n M PID
Cách th c ñ xây d ng b ñi u khi n m PID b ng cách ch n tham
s theo tr ng thái c a h th ng:
=0
P4: K = 0
P1: K l n
P2: K nh
P3: K nh
Hình 2.16: Qu ñ o pha tr ng thái h th ng và cách ch n K
2.3.3. Lu t ch nh ñ nh tham s
R1: N u σ = dương l n thì K = dương l n
R2: N u σ = dương nh thì K = dương nh
R3: N u σ = 0 thì K = 0
R4: N u σ = âm l n thì K = dương l n
R5: N u σ = âm nh thì K = dương nh
- 13
CHƯƠNG 3
THI T K B ĐI U KHI N M - PID CHO
H TH NG TRUNG HÒA Đ PH
3.1.MÔ HÌNH HÓA H TH NG TRUNG HÒA Đ pH
T phương trình (1.14) – chương 1, ta ch n các thông s c a h
th ng như sau:
B ng 3: Thông s h th ng trung hòa ñ pH
TT THAM S ĐƠN V GIÁ TR
1 Th tích thùng ph n ng m3 5
2 Lưu lư ng nư c mía m3/s 0.0389
3 N ng ñ nư c mía mol/l 0.002
4 N ng ñ s a vôi mol/l 0.1
5 Th i gian tr quá trình s 50
6 Lưu lư ng s a vôi l n nh t m3/h 2
Hàm truy n h th ng:
(3.1)
3.2. THI T K B ĐI U KHI N PID KINH ĐI N
Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta xác ñ nh ñư c các thông s
c a b ñi u khi n PID như sau:
(3.3)
(3.4)
- 14
3.3. TÍNH TOÁN THAM S B ĐI U KHI N PID KINH ĐI N
T hàm truy n c a h th ng theo (3.1), ta tính ñư c các thông s
c a b ñi u khi n PID theo phương pháp Ziegler-Nichols:
(3.5)
(3.6)
(3.7)
3.4. THI T K B ĐI U KHI N M PID
3.4.1. Đ nh nghĩa các bi n ngôn ng vào ra
Các bi n ngôn ng ñ u vào:
Sai l ch ñ pH gi a giá tr ñ t và giá tr ño ñư c: e (pH)
Đ bi n thiên ñ pH: de (pH/s)
Siêu m t: σ =
e FUZZY
CONTROL K
de
Hình 3.3: M hóa ñ u vào và tính toán giá tr ñ u ra
Bi n ngôn ng ñ u ra: H s khu ch ñ i K dùng ñ ch nh ñ nh b
ñi u khi n PID
3.4.2. Xây d ng t p m cho t ng bi n vào ra
M hóa giá tr ñ u vào: XICHMA = {AL, AN, ZERO, DN, DL}
Trong ñó: AL – Sai l ch âm l n
AN – Sai l ch âm nh
- 15
Zero – Sai l ch b ng 0
DN – Sai l ch dương nh
DL – Sai l ch dương l n
M hóa giá tr ñ u ra: K = {ZERO, DN, DL}
Trong ñó: - ZERO : H s khu ch ñ i không
- DN: H s khu ch ñ i dương nh
- DL: H s khu ch ñ i dương l n
3.4.3. Xây d ng lu t h p thành
Theo k t qu t chương II, ta có lu t h p thành m như sau:
Hình 3.7: Xây d ng lu t h p thành m
3.4.4. Gi i m
Thi t b h p thành Max – Min, gi i m b ng phương pháp tr ng
tâm (Centroid of gravity - COG), ta có k t qu h s kh ch ñ i K:
Hình 3.9: M t ph ng các giá tr khu ch ñ i K
- 16
CHƯƠNG 4
MÔ PH NG VÀ NH N XÉT K T QU
4.1.ĐÁP NG C A H TH NG KHI S D NG B ĐI U
KHI N PID KINH ĐI N
4.1.1. Khi không có nhi u ñ u vào
Các thông s mô ph ng c a thùng ph n ng trung hòa như sau: a=
0.0328, b= 1.95*10-4(Các tham s này ñư c tính toán theo 1.17)
Đáp ng c a h th ng:
Dap ung cua he thong khi khong co nhieu dau vao
9
8
7
6
5
H
p
4
3
2
1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.2: Đáp ng c a h th ng khi không có nhi u ñ u vào v i b
ñi u khi n PID
Sai lech pH cua he thong khi khong co nhieu dau vao
7
6
5
4
Si leh H
3
a c p
2
1
0
-1
-2
-3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.3: Sai l ch ñ pH c a h th ng
- 17
4.1.2. Khi có nhi u ñ u vào
Các thông s mô ph ng c a thùng ph n ng trung hòa khi có nhi u
như sau:
Dap ung cua he thong khi co nhieu dau vao
9
8
7
6
5
pH
4
3
2
1
0
0 500 1000 1500 2000 2500
Time
Hình 4.5: Đáp ng c a h th ng khi có nhi u ñ u vào t i t=1400
4.2.ĐÁP NG C A H TH NG KHI S D NG B ĐI U
KHI N M PID
4.2.1. Khi không có nhi u ñ u vào
Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien mo PID
8
7
6
5
H
4
p
3
2
1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.8: Đáp ng c a h th ng không có nhi u khi s d ng b ñi u
khi n m PID
- 18
Sai lech do pH cua he thong khong nhieu khi su dung BDK Mo PID
7
6
5
4
a c H
S i le h p
3
2
1
0
-1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.9: Sai l ch c a h th ng không nhi u khi s d ng b ñi u
khi n M PID
Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien Mo PID
9
8
7
6
5
pH
4
3
2
1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.11: Khi tăng giá tr λ = 1.2
Nh n xét: Khi tăng giá tr λ càng l n thì ñ quá ñi u ch nh c a h
th ng càng tăng nhưng th i gian xác l p tương ñ i nhanh.
- 19
4.2.2. Khi có nhi u ñ u vào
Dap ung cua he thong co nhieu khi su dung BDK Mo PID
9
8
7
6
5
pH
4
3
2
1
0
0 500 1000 1500 2000 2500
Time
Hình 4.12: Đáp ng c a h th ng khi có nhi u s d ng b ñi u khi n
M PID
4.3. SO SÁNH K T QU
4.3.1. Khi không có nhi u tác ñ ng
So sanh dieu khien PID va Mo PID
8
7
Mo PID
6 PID
5
H
4
p
3
2
1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Time
Hình 4.14: So sánh ch t lư ng b ñi u khi n m PID và PID
Nh n xét: Khi không có nhi u tác ñ ng, b ñi u khi n m PID cho
ch t lư ng ñi u khi n t t hơn ñ quá ñi u ch nh th p, th i gian xác l p
tương ñ i nhanh.
- 20
4.3.2. Khi có nhi u tác ñ ng
So sanh chat luong bo dieu khien PID va Mo PID
9
PID
8
Mo PID
7
6
5
pH
4
3
2
1
0
0 500 1000 1500 2000 2500
Time
Hình 4.16: Đáp ng h th ng khi s d ng b ñi u khi n PID và M
PID
So sanh sai lech dau ra bo dieu khien PID va Mo PID
7
6
5
4
Sai lech pH
3
2
1
0
-1
-2
0 500 1000 1500 2000 2500
Time
Hình 4.17: Sai l ch pH h th ng khi s d ng b ñi u khi n PID và M
PID
4.4. K T LU N
B ñi u khi n m ñưa ra có ch t lư ng hơn h n b ñi u khi n
PID tiêu chí ñ v t l , ñáp ng tiêu chí ban ñ u c a ñ tài. B ng
vi c thay ñ i tham s I, h th ng nhanh chóng ti n ñ n xác l p. Ngoài
ra, vi c thi t k và hi u ch nh b ñi u khi n M PID cũng tương ñ i
ñơn gi n, kh c ph c ñư c m t s như c ñi m như khi thi t k b ñi u
khi n PID.
nguon tai.lieu . vn
