Đồ án Nghiên cứu về nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện,thiết lập mô hình mô phỏng thể hiện công nghệ điều khiển và giám sát thông qua các biến lệnh và các biến quá trình

hoàn toàn cơ khí Hiệu suất: 77 ~ 78% Nhiên liệu đốt: than cục, than cám Mã hiệu LT 6/10X LT 6/12X LT 10/10X LT 10/12X LT 15/10X LT 15/12X Năng suất sinh hơi (kg/h) 6000 6000 10000 10000 15000 15000 Áp suất làm việc (kG/cm2) 10 12 10 12 10 12 Nhiệt độ hơi bão hòa (oC) 183 190 183 190 183 190 1.3.5. Nồi hơi tầng sôi Đặc tính kỹ thuật: Kiểu ống nước, tuần hoàn tự nhiên Balông bố trí theo chiều dọc Cấp than, thải xỉ: hoàn toàn cơ khí Hiệu suất: 77 ~ 78% Nhiên liệu đốt:  than cám Công suất: thiết kế chế tạo theo yêu cầu đặt hàng. 1.4. PHÂN LOẠI NỒI HƠI 1.4.1. Phân loại nồi hơi theo áp suất hơi Nồi hơi thấp áp : Áp suất đến 20kg/cm2. Nồi hơi trung áp : Áp suất từ 20 đến 45kg/cm2. Nồi hơi cao áp : Áp suất đến 80kg/cm2. Nồi hơi áp suất rất cao : Áp suất trên 80kg/cm2. 1.4.2. Phân loại theo sự chuyển động của khói lò và nước so với bề mặt đốt Nồi hơi ống lửa: là nồi hơi mà lửa và khí lò đi trong ống,còn hỗn hợp nước và hơi bao quanh ống. Nồi hơi ống nước : là nồi hơi mà hỗn hợp hơi và nước đi trong ống ,còn lửa và khí lò quét bên ngoài ống. Nồi hơi liên hợp : là nồi hơi ống lửa mà có bố trí thêm một số ống nước. 1.4.3. Phân loại theo nguồn nguyên liệu Nồi hơi đốt dầu (than). Nồi hơi khí xả. Nồi hơi liên hợp đốt dầu và kết hợp cả khí xả. 1.4.4. Phân loại theo cách bố trí ống tạo thành bề mặt đốt nóng Nồi hơi nằm Nồi hơi đứng 1.4.5. Phân loại theo cáchliên kết của ống hơi và bầu nồi Nồi hơi chia thành nhiều phần. Nồi hơi 2 bầu. Nồi hơi 3 bầu. 1.4.6. Phân loại theo dòng khói lò Nồi hơi 1 và 3 hành trình Nồi hơi 1 và 3 dòng chảy 1.4.7. Phân loại theo sự tuần hoàn của nước nồi Nồi hơi tuần hoàn tự nhỉên : Sự tuần hoàn của nước và hơi trong nồi hơi là do sự chênh lệch nhiệt độ và mật độ gây nên. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức: Việc tuần hoàn của hỗn hợp nước và hơi trong nồi hơi nhờ tác động của ngoại lực bên ngoài (bơm tuần hoàn). 1.4.8. Phân loại theo vòng tuần hoàn Nồi hơi 1 vòng tuần hoàn. Nồi hơi 2 vòng tuần hoàn. 1.4.9. Phân loại theo phương pháp cung cấp không khí Nồi hơi với thông gió tự nhiên. Nồi hơi dùng quạt hút. Nồi hơi dùng quạt gió tăng áp. 1.4.10. Phân loại theo sự điều khiển nồi hơi Nồi hơi điều khiển bằng tay. Nồi hơi với sự điều khiển tự động một phần hoặc toàn phần. 1.4.11. Phân loại theo công dụng Nồi hơi chính : là nồi hơi cung cấp cho các thiết bị hơi nước chính. Nồi hơi phụ : là nồi hơi mà hơi tạo ra được cung caps cho các máy phụ,thiết bị phụ và nhu cầu sinh hoạt. Nồi hơi kinh tế : (nồi hơi khí xả) là nồi hơi tận dụng nhiệt độ còn cao của khí xả của động cơ diezen chính để sản xuất hơi.Hơi của nó được dùng để hâm nóng dầu đốt ,dầu nhờn và phục vụ sinh hoạt. 1.5. MỘT SỐ LOẠI NỒI HƠI THƯỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1.5.1. Nồi hơi ống lửa (Fire Tub Boiler) Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho lò hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi. Lò hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến áp suất hơi trung bình. Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2. Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng. Vì các lý do kinh tế, các lò hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhà sản xuất sẽ lắp đặt) đối với tất cả các loại nhiên liệu. Hình 1.2. Mặt cắt của một nồi hơi ống lửa 1.5.2. Nồi hơi ống nước (Water Tube Boiler) Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi. Nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang lò hơi. Lò hơi dạng này được lựa chọn khi nhu cầu hơi cao đối với nhà máy phát điện. Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ hơi, ở áp suất rất cao. Rất nhiều lò hơi dạng này nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” nếu nhà máy sử dụng dầu và/hoặc ga làm nhiên liệu. Hiện cũng có loại thiết kế lò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn nhưng với loại này, thiết kế trọn gói không thông dụng bằng. Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau: Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy. Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lý nước. Phù hợp với công suất nhiệt cao . Hình 1.3. Nồi hơi ống nước 1.5.3. Nồi hơi trọn bộ (Package Boiler) Loại lò hơi này có tên gọi như vậy vì nó là một hệ thống trọn bộ. Khi được lắp đặt tại nhà máy, hệ thống này chỉ cần hơi, ống nước, cung cấp nhiên liệu và nối điện để có thể đi vào hoạt động. Lò hơi trọn bộ thường có dạng vỏ sò với các ống lửa được thiết kế sao cho đạt được tốc độ truyền nhiệt bức xạ và đối lưu cao nhất. Hình 1.4. Nồi hơi trọn bộ Nồi hơi trọn bộ có những đặc điểm sau: Buồng đốt nhỏ,tốcđộ truyền nhiệt cao dẫn đến hoá hoá hơi nhanh hơn. Quá trình truyền nhiệt do đối lưu tốt hơn do được lắp một số lượng lớn. Các ống truyền nhiệt có dường kính nhỏ dẫn tới truyền nhiệt đối lưu tốt. Hiệu suất cháy cao do có sử dụng hệ thống thông gió cưỡng bức. Quá trình truyền nhiệt tốt hơn nhờ số lần khí đi qua nồi hơi. Hiệu suất nhiệt cao hơn so với các loại nồi hơi khác. Những lò hơi này được phân loại dựa trên số lần số lần khí đốt nóng đi qua nồi hơi. Buồng đốt sẽ là lần đi qua thứ nhất,sau đó có thể hai hoặc ba bộ ống lửa.Loại nồi hơi phổ biến nhất của loại này là nồi hơi bậc 3 (3 lần khí đi qua nồi hơi) với hai bộ ống đốt và với khí thải đi qua bộ phận phía sau nồi hơi. Ngoài ra còn một số loại nồi hơi khác như nồi hơi buồng lửa ầng sôi,nồi hơi buồng lửa tầng sôi không khí,nồi hơi buồng lửa tầng sôi điều áp,nồi hơi buồng lửa tầng sôi điều hoà,nồi hơi đốt lò,nồi hơi sử dụng nhiên liệu phun và nồi hơi sử dụng thiết bị thải... CHƯƠNG2. THIẾT LẬP CÁC BIẾN CỦA HỆ THỐNG 2.1. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NỒI HƠI Hệ thống điều khiển nồi hơi thực hiện 5 chức năng điều khiển sau: Chức năng tự động cấp nước cho nồi hơi. Chức năng tự động hâm dầu đốt. Chức năng tự động đốt lò. Chức năng tự động điều chỉnh áp suất hơi trong nồi hơi. Chức năng tự động kiểm tra báo động và bảo vệ nồi hơi. 2.1.1. Tự động cấp nước nồi hơi Nhờ có chức năng tự động cấp nước mà mực nước trong nồi hơi luôn giữ ở một mức độ nhất định,không xảy ra các sự cố như cháy nồi do mức nước trong nồi hơi quá thấp hoặc bị tràn nước ra ngoài do mức nước trong nồi hơi quá cao.Để thực hiện chức năng này người ta dùng hai bơm cấp nước(một bơm làm việc còn một bơm dự trữ).Ngoài ra trong một số hệ thống nồi hơi còn được trang bị thêm cả bơm tăng cường và bơm tuần hoàn nước.Bơm tăng cưòng nhằm mục đích tăng áp lực của nước bơm vào nồi hơi để thắng được áp lực hơi trong nồi còn bơm tuần hoàn có mục đích là bơm nước vào nồi tuần hoàn theo một chu trình thời gian đặt trước. Mức nước nồi hơi luôn được giữ ở mức hmin < h < hmax. 2.1.2. Tự động hâm dầu đốt Nồi hơi thường dùng dầu nhẹ để đốt mồi sau đố khi lò cháy thành công mới chuyển sang dầu nặng để đốt nồi .để kinh tế thì dầu đốt sử dụng trong nồi hơi thường là dầu nặng ,mà dầu nặng thường có độ nhớt cao ,quá trình phun sương khó khăn,bắt lửa kém.Chính vì vậy trước khi phun vào nồi dầu cần phải được hâm nóng,nhiệt độ hâm thường từ 90 tới 1200C.Để hâm dầu ban đầu người ta thường dùng năng lượng điện sau đó dùng chính hơi của nồi để sấy.Để đảm bảo thì nhiệt độ cần thoả mãn : Tmin < T < Tmax. 2.1.3. Tự động đốt lò Ngày nay các nồi hơi trong quá trình đốt ,các phần tử đảm nhiệm chức năng đó gọi là thiết bị chương trình,chương trình đốt này phải được thực hiện tuần tự mà không thể đảo thứ tự được và thiết bị đó có thể thuộc các loại sau: Thiết bị chương trình này có thể là cam chương trình : là trục cam được lai bằng các động cơ điện đồng bộ,trên trục cam có các ti,vấu đó có đường kính và hình dáng nhất định,được đóng mở theo một chương trình điều khiển đốt. Rơ le chương trình dùng vi mạch bán dẫn : Thông thường dùng rơ le thời gian,mỗi rơ le tương ứng với một nhiệm vụ cụ thể. Dùng PLC. Thuật toán cho quá trình tự động đốt,dù đốt bằng tay hoặc đốt tự động thì các qúa trình đốt lò cũng xảy ra các bước sau: Giai đoạn chuẩn bị đốt Khi các điều kiện sau đảm bảo thì mới tiến hành công việc đốt: Mức nước trong nồi hơi phỉa đảm bảo đủ do mạch tự động hay cấp nước bằng tay thực hiện. Nhiệt độ dầu đốt phải đảm bảo thực hiện với mạch hâm sấy dầu đốt. Áp suất dầu đốt phải đảm bảo do bơm dầu đốt thực hiện. Quạt gió phải đảm bảo không có sự cố. Toàn bộ các phần tử trong hệ thồng phải đảm bảo không có sự cố. Giai đoạn đốt: Giai đoạn đốt lò được thực hiện theo một chương trình định trước và được quyết định bởi thiết bị chương trình .Các bước của quá trình đốt lò: Phát lệnh đốt (PhơiPmin): thực hiện bằng cách bật công tắc hoặc ấn nút điều khiển tự động để cấp nguồn cho mạch phía sau,thiết bị chương trình hoạt động. Quạt thông gió khoảng 30s. Mở cửa gió hợp lí. Biến áp đánh lửa hoạt động,dầu mồi hoặc dầu đốt đã được hâm nóng đến nhiệt độ cần thiết phun vào lò.Từ đây người ta bắt đầu kiểm soát thời gian hoạt động của nồi hơi. Tại đây xảy ra quá trình cháy hoặc không cháy. +,Nếu cháy thành công : kết quả quá trình đốt lò là ngọn lửa xuất hiện,qua phần tử cảm bién nhận lửa và qua rơ le quang điện sẽ phản hồi về để ngắt điện áp đánh lửa,rồi ngắt phun dầu mồi và chuyển sang dầu đốt.Báo cháy thành công bằng đèn trên bảng đồng thời mở thêm le gió để đưa thêm gió vào lò.Khi đó thiết bị chương trình dừng lại ở vị trí nhất định sau khi đã thực hiện xong các bước ở trên. +,Nếu cháy không thành công: Tự động dừng đốt lò.Tắt phun dầu đểcắt dầu vào buồng đốt,tắt biến áp đánh lửa và duy trì quạt gió hoạt động thêm một thời gian nữa để tiếp tục thổi khí CO2,CO ra khỏi lò để chuẩn bji cho lần đốt sau và thiết bị chương trình có điện để quay về trạng thái ban đầu để thực hiện cho lần đốt sau .Sau khoảng 3 đến 4 lần đốt không thành công thì nồi hơi có sự cố ,tự động ngưng đốt và báo động bằng còi và đèn để cho người vận hành biết .Hệ thống có sự cố phải khắc phục xong sự cố và ấn nút hoàn nguyên thì mới đốt lại được. 2.1.4. Tự động duy trì áp suất hơi Trong quá trình vận hành nồi hơi,áp suất hơi là một thông số rất quan trọng cần được điều khiển,yêu cầu đặt ra là phải duy trì áp suất hơi nằm trong trạng thái cho phép. Pmin < P < Pmax Pmin=3-4kg/cm2 Pmax=5-7.5kg/cm2 Quá trình điều khiển áp suất hơi trong nồi hơi được thực hiện bằng cách khi áp suất hơi trong nồi đạt giá trị xác định thì dừng đốt,còn khi áp suất hơi trong nồi giảm đến một giá trị đặt thì nồi hơi tự hoạt động lại. 2.1.5. Tự động kiểm tra,báo động ,bảo vệ nồi hơi Các thông số báo động, bảo vệ nồi hơi Mức nước trong nồi hơi giảm quá thấp so với hmin,dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Áp suất dầu đốt không đảm bảo cũng dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Nhiệt độ dầu đốt không đảm bảo dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Quạt gió có sự cố dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Mất lửa dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Quạt gió có sự cố dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Nhiệt độ khí xả lò quá cao dẫn tới báo động và dừng đốt lò. Lò đốt không thành công dẫn tới báo động và dừng đốt lò. .Quá trình điều khiển tắt lò là là tắt nhiên liệu cấp vào lò và quạt gió tiếp tục hoạt động sau một thời gian nữa rồi mới dừng. Các thông số chỉ báo động,không bảo vệ Mức nước giảm hơi thấp. Mức nước trong nồi quá cao h > hmax 2.1.6. Thiết lập hệ thống các biến lệnh Như vậy,từ thuật toán điều khiển nồi hơi đã trình bày ở trên,ta sẽ thiết lập bộ điều khiển cho nồi hơi đốt than với các biến lệnh dùng trong quá trình điều khiển nồi hơi là : Sử dụng biến lệnh góc mở van để điều khiển mực nước trong nồi hơi. Sử dụng biến lệnh điện áp đặt lên điện trở vào trong lò để điều khiển nhiệt độ lò. 2.1.7. Thiết lập hệ thống các biến quá trình Trên cơ sở các biến lệnh,ta sẽ đi điều khiển các biến quá trình: Áp suất trong lò. Mức nước trong lò. Để đảm bảo nồi hơi hoạt động an toàn và đúng công suất định mức,tiết kiệm tối đa nhiên liệu với hiệu suất sử dụng cao nhất.Với yêu cầu công nghệ đề ra và trong thực tế,ta sẽ lựa chọn phương pháp xây dựng bộ điều khiển mờ để điều khiển và giám sát hệ thống nồi hơi đốt than trong nhà máy nhiệt điện. CHƯƠNG3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NỒI HƠI 3.1.KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIÊU KHIỂN MỜ Đây là 1 phương pháp điều khiển rất mới mẻ, chỉ xuất hiện vào những năm đầu của thập kỷ 90 nhưng đã đem lại nhiều thành tựu to lớn. Ưu điểm của điều khiển mờ so với các bộ điều khiển kinh điển đó là khả năng tổng hợp bộ điều khiển mà không cần biết trước các đặc tính của đối tượng một cách chính xác . Hiện nay thuật toán của lý thuyết điều khiển mờ đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi như trong hệ thống máy giặt , điều hòa nhiệt độ , hay trong các thiết bị LOGIC khả trình (PLC)… Trong lý thuyết tập hợp truyền thống một phần tử có thể thuộc một tập hợp nào đó hoặc không. Lý thuyết này mô hình mọi thứ như là "trắng" hoặc "đen", "đúng" hay "sai", và không hiểu mọi thứ mập mờ giữa hai giá trị đó. Logic hai giá trị đó đã chứng tỏ được sự hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề hoàn toàn xác định, các vấn đề đó được đặc trưng bởi việc miêu tả chính xác các quá trình được giải quyết mang tính định lượng. Tuy nhiên, một loạt các vấn đề hiện nay không dễ dàng thích hợp với cách tiếp cận này. Những vấn đề này có đặc điểm là phức tạp hoặc có cấu trúc kém trong tự nhiên, và thường phải có sự tác động của con người, mà không thể tự động hoá được. Các khái niệm là không rõ ràng hơn "đúng" hay "sai", nhưng lại tương đối mơ hồ, ví dụ như "khá đúng" hay "sai một chút". Lý thuyết tập mờ xuất hiện như là một cách tiếp cận để giải quyết các vấn đề này. Nó được đưa ra vào năm 1965 bởi Lotfi Zadeh thuộc trường Đại hoc California ở Berkeley. Ông ta đã giới thiệu lý thuyết về tập mờ như là một sự mở rộng của lý thuyết tập hợp truyền thống, và phát triển Logic mờ tương ứng để thao tác trên các tập mờ đó. Một tập mờ cho phép mức độ phụ thuộc của một phần tử trong một tập hợp là bất cứ số nào nằm giữa 0 và 1. Điều này cho phép con người quan sát, biểu diễn và giám định kỹ lưỡng hơn các mô hình có sắn. Từ khi nó được đưa ra, lý thuyết tập mờ đã tạo nên được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực toán học và kỹ thuật cũng như trong khoa học máy tính, và đã được thiết lập như là một sự lựa chọn hữu ích để để dẫn đến kết luận dưới một sự không chắc chắn. Lý thuyết tập mờ dựa trên lý thuyết tập hợp cơ bản, và trở thành đúng với nó trong trường hợp giới hạn mà các thuộc tính liên quan là thay đổi. Như với các tập hợp cơ bản, các tập mờ được định nghĩa qua một vài tập nền (tập vũ trụ), chúng có thể là một tập các giá trị có thể đo lường được, một khoảng điện áp ra thích hợp, hoặc cái khác tuỳ thuộc vào vấn đề đó. Để xác định một tập hợp, mỗi một phần tử của tập nền bắt buộc phải được gắn với một giá trị chỉ rõ nó có thuộc tập hợp đó hay không. Với các tập hợp cơ bản, giá trị này được giới hạn hoặc là 0 hoặc là 1, để chỉ ra 'no - không thuộc tập hợp' hay 'yes - thuộc tập hợp'. Với các tập mờ, giá trị này có thể khác 0 hoặc 1, điển hình với bất cứ số nào trong khoảng [0, 1] đều được cho phép. Trong cả hai trường hợp mỗi tập hợp riêng biệt đều có hàm đặc tính, hàm này ánh xạ mỗi phần tử của tập nền thành giá trị quan hệ của nó cho tập mờ. Trong công nghiệp hiện đại ngày nay, logic mờ ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi do những ưu điểm vượt trội của nó so với lý thuyết điều khiển cổ điển. Nó giúp chúng ta có thể giải quyết được những vấn đề mà trước đây không thể giải quyết được bằng lý thuyết điều khiển cổ điển. Ứng dụng đầu tiên của logic mờ vào công nghiệp được thực hiện ở Châu Âu, khoảng sau năm 1970. Tại trường Queen Mary ở Luân Đôn – Anh, Ebrahim Mamdani dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà trước đây ông ấy không thể điều khiển được bằng các kỹ thuật cổ điển. Và tại Đức, Hans Zimmermann dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định. Liên tiếp sau đó, logic mờ được áp dụng vào các lĩnh vực khác như điều khiển lò xi măng, … nhưng vẫn không được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp. Kể từ năm 1980, logic mờ đạt được nhiều thành công trong các ứng dụng ra quyết định và phân tích dữ liệu ở Châu Âu. Nhiều kỹ thuật logic mờ cao cấp được nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này. Cảm hứng từ những ứng dụng của Châu Âu, các công ty của Nhật bắt đầu dùng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm 1980. Nhưng do các phần cứng chuẩn tính toán theo giải thuật logic mờ rất kém nên hầu hết các ứng dụng đều dùng các phần cứng chuyên về logic mờ. Một trong những ứng dụng dùng logic mờ đầu tiên tại đây là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987. Những thành công đầu tiên đã tạo ra nhiều quan tâm ở Nhật. Có nhiều lý do để giải thích tại sao logic mờ được ưa chuộng. Thứ nhất, các kỹ sư Nhật thường bắt đầu từ những giải pháp đơn giản, sau đó mới đi sâu vào vấn đề. Phù hợp với việc logic mờ cho phép tạo nhanh các bản mẫu rồi tiến đến việc tối ưu. Thứ hai, các hệ dùng logic mờ đơn giản và dễ hiểu. Sự “thông minh” của hệ không nằm trong các hệ phương trình vi phân hay mã nguồn. Cũng như việc các kỹ sư Nhật thường làm việc theo tổ, đòi hỏi phải có một giải pháp để mọi người trong tổ đều hiểu được hành vi của hệ thống, cùng chia sẽ ý tưởng để tạo ra hệ. Logic mờ cung cấp cho họ một phương tiện rất minh bạch để thiết kế hệ thống. Và cũng do nền văn hóa, người Nhật không quan tâm đến logic Boolean hay logic mờ; cũng như trong tiếng Nhật , từ “mờ’ không mang nghĩa tiêu cực. Do đó, logic mờ được dùng nhiều trong các ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiển thông minh hay xử lý dữ liệu. Máy quay phim và máy chụp hình dùng logic mờ để chứa đựng sự chuyên môn của người nghệ sĩ nhiếp ảnh. Misubishi thông báo về chiếc xe đầu tiên trên thế giới dùng logic mờ trong điều khiển, cũng như nhiều hãng chế tạo xe khác của Nhật dùng logic mờ trong một số thành phần. Trong lĩnh vực tự động hóa, Omron Corp. có khoảng 350 bằng phát minh về logic mờ. Ngoài ra, logic mờ cũng được dùng để tối ưu nhiều quá trình hóa học và sinh học. Năm năm trôi qua, các tổ hợp Châu Âu nhận ra rằng mình đã mất một kỹ thuật chủ chốt vào tay người Nhật và từ đó họ đã nỗ lực hơn trong việc dùng logic mờ vào các ứng dụng của mình. Đến nay, có khoảng 200 sản phẩm bán trên thị trường và vô số ứng dụng trong điều khiển quá trình – tự động hóa dùng logic mờ. Từ những thành công đạt được, logic mờ đã trở thành một kỹ thuật thiết kế “chuẩn” và được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng. 3.1.1.Nguyên lí làm việc của bộ điều khiển mờ Trên thực tế các đối tượng điều khiển không phải bao giờ cũng mô tả được dưới dạng mô hình toán học hoặc nếu có mô tả thì cũng không chính xác,đơn giản hoá đi nhiều.Như vậy nếu sử dụng bộ điều khiển kinh điển thì chất lượng không cao.Vấn đề đặt ra là phải đưa ra phương pháp điều khiển khác mà đại diện tiêu biểu là điều khiển mờ. Trong nhiều trường hợp con nguời điều khiển đối tượng chỉ cần dựa vào kinh nghiệm mà không cần biết đến mô hình toán học của đối tượng.Bộ điều khiển mờ được thiết kế để tự động hóa những kinh nghiệm điều khiển của con người.Điều khiển như vậy có thể không đáp ứng được một số chỉ tiêu chất lượng điều khiển như tính tối ưu nhưng vẫn đáp ứng được một số chỉ tiêu khác như tính chính xác,chỉ tiêu chất lượng...[Tr 50,1]. Ta có cấu trúc của một bộ điều khiển mờ như sau: Hình 3.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ Giá trị vào E có thể được đưa vào hệ thống điều khiển mờ thông qua bộ phận nhập. Nó có thể là một modul analog, hoặc có thể là một bộ cảm biến (sensor)... Dữ liệu vào sẽ được chuyển thành các trị mờ. Quá trình này được gọi là mờ hóa (fuzzification). Hệ thống điều khiển sẽ thi hành quá trình lập luận mờ (fuzzy processing), nơi bộ xử lý sẽ so sánh dữ liệu đầu vào với cơ sở dữ liệu chứa giá trị đầu ra. Quá trình lập luận mờ liên quan đến sự thực hiện các luật có dạng IF … THEN … được định nghĩa trong quá trình thiết kế. Sau khi bộ điều khiển mờ hoàn thành giai đoạn lập luận mờ và đạt đến kết luận cho giá trị đầu ra nó chuyển sang giai đoạn giải mờ để cho ra kết luận đầu ra U ở dạng giá trị rõ. Các hệ thống suy luận mờ (Fuzzy Inference System) thực hiện việc suy luận để tạo ra các quyết định từ các thông tin mơ hồ, không đầy đủ, thiếu chính xác. Quá trình suy luận mờ bao gồm 4 bước sau đây: Mờ hóa: xác định các tập mờ cơ sở và hàm thuộc của chúng. Tạo luật: xác định các quy tắc hợp thành từ bản chất của ứng dụng và sử dụng để kết hợp các tập mờ cơ sở. Kết nhập: kết hợp các quy tắc hợp thành. Giải mờ: Giải mờ cho các tập mờ kết quả [Tr60.1]. 3.1.2. Xác định tập mờ cơ sở và hàm thuộc Đối với một số ứng dụng đơn giản, các tập mờ cơ sở và hàm thuộc có thể xác định được dễ dàng không cần tham khảo ý kiến chuyên gia hoặc ý kiến của chuyên gia chỉ tạo ra các giá trị khởi tạo ban đầu. Phương pháp này cần sử dụng các kỹ thuật tính toán mềm hiện đại(ví dụ như các giải thuật di truyền hoặc mạng nơron).. Đối với các ứng dụng phức tạp, để xác định các tập mờ cơ sở, các hàm thuộc liên quan thường dựa vào kinh nghiệm của các chuyên gia và các quyết định chủ quan của họ. 3.1.3. Tạo các quy tắc hợp thành Một hệ thống mờ bao gồm nhiều quy tắc hợp thành. Quy tắc hợp thành được tạo thành từ mối quan hệ của các thành phần của ứng dụng. Quá trình tạo các quy tắc hợp thành có thể được thực hiện bằng một chuyên gia hoặc bằng phương pháp tự động dùng kỹ thuật tính toán mờ. Mỗi quy tắc hợp thành có đầu vào là một số tập mờ cơ bản và tạo ra kết quả một tập mờ ở đầu ra. 3.1.4. Kết hợp các quy tắc hợp thành Quá trình này tổng hợp kết quả của các quy tắc hợp thành riêng biệt vào một kết quả duy nhất. Đầu vào của khâu kết nhập là các tập mờ đầu ra của các quy tắc hợp thành. Đầu ra của nó là một tập mờ cho mỗi biến đầu ra. Quá trình kết nhập được thực hiện như sau: Với mỗi đối tượng đầu tiên trong đầu vào của luật hợp thành, tìm giá trị nhỏ nhất của hàm thuộc tại điểm xác định bởi dữ liệu đầu vào. Tiếp tục thực hiện với các đối tượng tiếp theo trong luật hợp thành. Từ tất cả các luật hợp thành, tạo một tập mờ kết quả bằng phép toán max của các giá trị có được. 3.1.5. Giải mờ Sau quá trình kết nhập các quy tắc hợp thành, chúng ta thu được kết quả đầu ra là một tập mờ. Quá trình giải mờ sẽ xác định rõ một giá trị đại diện từ hàm thuộc của giá trị mờ đầu ra. Giá trị được xác định sẽ là đầu ra của toàn bộ hệ thống. Có hai phương pháp giải mờ chính là phương pháp điểm cực đại và phương pháp điểm trọng tâm. Việc lựa chọn phương pháp giải mờ tuỳ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Với các ứng dụng phức tạp thì phương pháp điểm trọng tâm được sử dụng nhiều nhất. Phương pháp cực đại Các bước thực hiện : - Xác định miền chứa giá trị y’, y’ là giá trị mà tại đó B’(y) đạt Max G = { yY | B’(y) = H } [Tr109,3] - Xác định y’ theo một trong 3 cách sau : + Nguyên lý trung bình + Nguyên lý cận trái + Nguyên lý cận phải Hình 1.3. Giải mờ bằng phương pháp cực đại • Nguyên lý trung bình: y’ = • Nguyên lý cận trái : chọn y’ = y1 • Nguyên lý cận phải : chọn y’ = y2 [Tr65, 1]. Phương pháp điểm trọng tâm Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường B’(y). Công thức xác định: y’ = trong đó S là miền xác định của tập mờ B’ • Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ k là mB’k(y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là mB’(y) = , và y’ được xác định : y’ = (1.1) Trong đó Mi = và Ai = với i=1,2,…,m • Phương pháp độ cao Từ công thức (1.1), nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được: y’ = với Hk = mB’k(yk) Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao. 3.1.6. Thiết kế bộ điều khiển mờ · Các bước thiết kế: B1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra. B2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá). + Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ. + Số lượng tập mờ. + Xác định hàm thuộc. + Rời rạc hoá tập mờ. B3: Xây dựng luật hợp thành. B4: Chọn thiết bị hợp thành. B5: Giải mờ và tối ưu hoá. · Những lưu ý khi thiết kế BĐK mờ - Bao giờ dùng điều khiển mờ để giải quyết bài toán mà có thể dễ dàng thực hiện Không bằng bộ điều khiển kinh điển. - Không nên dùng BĐK mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao. - Thiết kế BĐK mờ phải được thực hiện qua thực nghiệm. · Phân loại các BĐK mờ i. Điều khiển Mamdani (MCFC) ii. Điều khiển mờ trượt (SMFC) iii. Điều khiển tra bảng (CMFC) iv. Điều khiển Tagaki/Sugeno (TSFC) 3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO NỒI HƠI Chọn nồi hơi đốt than mã hiệu HT-BBN (8,10-1000) với các thông số sau : Kích thước nồi: 2.75 x 1.9 x 2.55(m) Năng suất sinh hơi 1000 kg/h. Áp suất làm việc 8-10 bar. Nhiệt độ hơi bão hoà 175-1830C. Diện tích tiếp nhiệt 45m2. Trọng lượng nồi 6000kg. 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của toàn bộ hệ thống điều khiển Với hệ thống nồi hơi với các thông số như trên thì ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển mực nước và áp suất trong nồi hơi khi nồi hơi đang hoạt động ở chế độ bình thường,đảm bảo mực nước và áp suất trong nồi hơi luôn ổn định trong giới hạn cho phép (mặc định nồi hơi đã hoàn thành quá trình khởi động và đang hoạt động bình thường) : 1,5m &